北斗將再發新星 全球衛星導航系統如何提供定位服務？

作者：宋葉志 胡小工（中國科學院上海天文台）

據新華社報道，在9月18日第三屆軍民融合發展高技術裝備成果展覽暨論壇活動上，中國衛星導航系統管理辦公室主任冉承其表示，北斗三號全球組網衛星預計11月發射，今年年底前發射兩組。

當今，全球衛星導航系統（GNSS）不僅是國家安全和經濟的基礎設施，也是體現現代化大國地位和國家綜合國力的重要標誌。

由於其在政治、經濟、軍事等方面具有重要的意義，世界主要軍事大國和經濟體都在競相發展獨立自主的衛星導航系統。

圖1 全球衛星導航系統

就普通百姓生活而言，衛星導航定位已經在我們生活中扮演了不可或缺的角色，如網路約車、地圖導航等不甚枚舉。

在享受這些科技帶給我們便利的同時，你是否想過，這背後究竟是什麼原理呢？

本文將從基本組成、原理及應用等幾個方面，簡要介紹衛星導航系統，希望能讓大家有一個初步、直觀的認識。

衛星導航系統由三部分組成

包括北斗系統在內的全球衛星導航系統通常由3部分構成：

空間段、控制段和用戶段。

簡單地說，空間段由衛星組成，控制段涉及衛星的運行管理，用戶段包括軍用和民用接收機。

空間段

空間段主要作用是產生並發送碼信號與相位信號，並廣播由地面控制段上傳的導航電文。

為了提供連續的全球定位服務能力，每個GNSS的星座必須包含足夠數量的衛星，以確保在每個站可同時觀測至少四顆衛星。

衛星星座的選擇必須遵循多種優化原則。設計中需要考慮用戶定位精度、衛星可用性、服務範圍和星座幾何構型等。GNSS衛星基本上都配置一個平台，該平台裝載有原子鐘、無線電收發器、微處理器和各種操控系統的輔助設備。

圖2 衛星在空間運動受到的各種作用力

如圖2所示，衛星在空間受到多種攝動力的影響，其受力非常複雜。主控站在軌道確定時候需要考慮地球的非球形引力、地球潮汐、日月及大行星的引力和太陽光壓等諸多因素。

控制段

控制段負責操控整個系統，主要功能有：

控制並維持衛星星座，根據需要進行軌道機動或補償故障衛星進行重新布位。

監測並維護衛星健康

保持導航時間系統

預報衛星星曆及鍾參數

更新導航電文

控制段通常由一個主控站、若干監測站及地面天線組成。主控站控制並協調所有操作，監測站形成跟蹤網，地面天線則是連接衛星的通信鏈路。

用戶段

導航系統大規模民用的成功很大程度上要歸功於集成電路的革命，它使得接收機簡單、輕便、價格大幅降低。

用戶接收每顆衛星的信號，測定到衛星的距離，並利用衛星播發的電文可以確定衛星的位置。

具備以上條件就可以通過交會原理算出用戶的位置。

衛星導航系統的基本定位原理

用戶通過接收衛星的信號測定自己到衛星的距離。

接收機包含一個時鐘，假定該鐘與系統時間同步，如果測定的用戶到衛星距離為r。 則對如果以衛星為中心來看，則用戶可能位於以衛星為中心半徑為r的圓球上任意一點，因為該圓球上任意一點到衛星的距離都是r。如果用戶能測定其到三顆衛星的距離，則對每顆衛星就產生了三個假想圓球。則三個球會交會於空間一點，這一點就是用戶的位置，如圖3所示。

圖3 交會定位示意圖

從數學角度而言，每一個偽距觀測數據，建立了一個用戶位置與衛星位置（已知）的方程，三個衛星的偽距觀測數據就是三個方程。用戶在空間的位置用（x,y,z）表示，是三個未知數。

三個方程解三個未知數，解法是較為成熟的。在實際應用中，用戶接收機通常與系統時間是有偏差的，這時候又多了一個未知數，所以最少需要接收4顆衛星信號。

在觀測到更多衛星的情況下，可以用統計方法最優估計出用戶位置和鐘差。

以上就是偽距測量衛星定位的基本原理。

圖4 偽距測量

偽距測量包含有很多的誤差源，如信號的對流層、電離層延遲和相對論效應等，如圖4所示。為了獲得較高的精度，在定位計算時這些因素是需要考慮的。

除了測碼偽距之外，還可以通過測量載波相位描述衛星與用戶接收機的距離。載波相位測量精度遠高於測碼偽距，但是接收機開機曆元測的是瞬時的拍頻相位的小數部分，衛星至接收機初始相位整周數是未知的這需要在數據處理時候解決。而且，當接收機信號失鎖時，整周模糊度會跳變，這都給數據處理帶來複雜性。

差分、增強與輔助系統

差分系統

圖5 差分北斗系統原理圖

差分系統主要由基準站GNSS接收設備，數據處理與傳輸設備和用戶GNSS接收機組成。

差分GNSS基本思想是在監控與管理中心增設GNSS接收機，並將其安設在坐標已知的基準站上。將基準站的偽距觀測值與理論值做差發送給附近用戶目標，並根據修正後的偽距計算用戶位置。其中偽距修正量，包含了星曆誤差、大氣傳播誤差等系統差。

單參考站概念簡單，但是隨著參考站距離的增加其定位精度顯著降低。多參考站採用空間合理分布的多個參考站確定差分改正數，並將改正數發送到接收機。多參考站系統的缺點是系統結構複雜，提供服務的成本增加。

增強系統

在要求特別嚴苛的導航操作中，如民航精密進近，水域操作的進港、靠港，或內陸航道導航等，當前的GNSS定位服務並不能完全滿足需求。

因此，人們提出增強系統來提高系統的性能，滿足應用的需要。

增強系統提供額外的信息以增強空基定位、導航和授時。各性能指標包括：定位精度、可用性、完備性、可靠性，獨立的完備性監測和預警能力服務於特殊的緊急任務。

增強系統通常可以分為天基增強和地基增強系統。

天基增強系統採用地面監測網對GNSS距離測量，觀測數據通過廣域網路發送到數據處理中心。主站根據觀測數據計算衛星軌道、鐘差和電離層相關改正數。改正數和完備性信息通過C波段信號發送到衛星，衛星通過L波段將改正數和完備性信息轉發給用戶。

地基增強系統的概念直接面向民用航空領域的緊急需求。增強系統通常只在局部有限範圍提供，如機場周圍。隨著服務範圍的擴大，地基增強系統就變成地基區域增強系統。

輔助系統

輔助GNSS技術是一種結合了網路基站信息和GNSS信息對用戶進行定位的技術。輔助GNSS的結構由一個導航模塊和一個通信模塊相互合作構成。

根據可提供的數據集不同，接收機可以在工作中得到一種或多種方式的輔助。通信信號通常比GNSS信號具有更大的數據傳輸能力，所以導航信息可以在很短時間內完成傳輸。

由於輔助GNSS接收器與輔助伺服器間的任務共享，所以輔助GNSS往往比普通的GNSS系統處理速度更快，有更高的效率。

輔助GNSS系統不能顯著提高定位精度，但是，通信鏈路可以用於傳輸差分改正和完備性信息。將導航設備和通信設備緊密幾何不僅可以實現各種系統的輔助增強，而且同時可以實現多種其他方面的應用。

北斗衛星導航系統概況

北斗衛星導航系統是中國著眼於國家安全和經濟社會發展需要，自主建設、獨立運行的衛星導航系統，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施。

發展歷程與計劃

20世紀後期，中國開始探索適合國情的衛星導航系統發展道路，逐步形成了三步走發展戰略：

2000年年底，建成北斗一號系統，向中國提供服務；

2012年年底，建成北斗二號系統，向亞太地區提供服務。

目前，我國正在實施北斗三號系統建設。根據系統建設總體規劃，計劃2018年，面向「一帶一路」沿線及周邊國家提供基本服務；2020年前後，完成35顆衛星發射組網，為全球用戶提供服務。

圖6 北斗系統衛星圖

發展特色

北斗系統的建設實踐，實現了在區域快速形成服務能力、逐步擴展為全球服務的發展路徑，豐富了世界衛星導航事業的發展模式。

北斗系統具有以下特點：

一是北斗系統空間段採用三種軌道衛星組成的混合星座，與其他衛星導航系統相比高軌衛星更多，抗遮擋能力強，尤其低緯度地區性能特點更為明顯。

二是北斗系統提供多個頻點的導航信號，能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務精度。

三是北斗系統創新融合了導航與通信能力，具有實時導航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信服務五大功能。

衛星導航系統的應用

GNSS技術是一種全天候、高精度的連續位置確定系統，並且具有定位速度快、費用低、效率高和靈活多樣等特點，所以在定位導航、測繪工程、地球物理科學等領域具有廣泛的應用。

這裡我們只列舉部分應用。

定位、導航與授時

圖7

GNSS的傳統應用是授時和位置導航。

GNSS作為精密時間源，對商業和產業基礎設施的影響巨大。基於位置的服務是GNSS的主要市場，在航空、航海、鐵路和公路方面都得到了廣泛的應用。

導航、通信和地理信息的集成為各種廣闊的應用打開了大門。

測繪工程

圖8

現代的GNSS測量與數據處理技術可以使得定位精度達到毫米級水平。這些方法的精度可以滿足多種測繪領域應用，如地籍測量、大地控制網、局部或全球形變監測。

科學應用

連續的GNSS觀測和高精度的位置監測，可以應用於地球科學的諸多科學研究。如地球自轉、地殼形變、板塊運動、冰後回彈等。對於地震學、冰川學、氣象學、地質學和環境監測等學科而言，GNSS是一種成本低、效率高的方法。GNSS技術還可以應用於中性大氣監測、電離層監測等。

展望

有人曾說，未來的GNSS應用僅受人類想像力的限制。

GNSS系統與應用技術發展迅猛，尤其是近些年我國北斗建設取得了舉世矚目的成就。其應用從基本的科學研究到日常的生活，不斷向之前我們不曾想像到的領域滲透。

在可預見的未來二三十年，GNSS技術前景依然是非常廣闊的。

參考文獻：

1.J. Sanz Subirana ,GNSS Data Processing, Vol. I: Fundamentals and Algorithms. European Space Agency, 2013.

2.Bernhard Hofmann-Wellenhof. GNSS – Global Navigation Satellite Systems. GPS, GLONASS, Galileo, and more. Springer-Verlag Wien, 2008.

3.Pratap Misra. Global positioning system : signals, measurements, and performance(2nd ed.), Ganga-Jamuna Press, 2011.

4.Elliott D. Kaplan. Understanding GPS Principles and Applications(2nd ed.), ARTECH HOUSE, INC.2006.

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