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我国组网成功的卫星导航系统 未来可期
时间:2020-08-19 16:39:17

复移小凳扶窗立,教识中天北斗星。

中国北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统,也是继GPS、GLONASS之后的第三个成熟的卫星导航系统。历时20多年发展,距离北斗全球组网只有一“星”之遥,因此,第五十五颗北斗导航卫星的发射备受关注。原计划6月16日10时左右发射的北斗三号全球卫星导航系统最后一颗组网卫星GEO-3因长征三号乙运载火箭技术原因推迟,最后一颗北斗导航卫星在6月23日9时43分成功发射。

北斗是怎样工作的?

卫星导航定位系统是以卫星为导航台的无线电导航系统,通常由空间段卫星、地面段和应用终端三部分组成。卫星作为空间导航台,它不仅接收和贮存地面站制备的导航信息,通过导航信号向用户发射,还接收来自地面站的控制指令并向地面站发射卫星遥测数据以便地面站了解卫星状况。

地面段由主控站、注入站、监测站组成,其功能是对卫星导航信号进行观测,并对与系统工作有关的信息数据并进行处理,产生导航电文和控制指令,再由地面注入站发射给卫星。用户设备的功能是接收和处理卫星发射的导航信号、进行定位计算,为用户提供高精度、连续的三维位经度、纬度、高度、三维速度和时间等信息。

中国的北斗一号完全基于此技术,同时北斗卫星导航系统除了使用新的技术外,也保留了这项技术。当卫星导航系统使用无源时间测距技术时,用户至少接收4颗导航卫星发出的信号,根据时间信息可获得距离信息,根据三球交汇的原理,用户终端可以自行计算其空间位置。此即为GPS、GALILEO(伽利略导航,即欧洲全球导航卫星系统)、GLONASS(格洛纳斯导航,即俄罗斯全球导航卫星系统)所使用的技术,北斗卫星导航系统也使用了此技术来实现全球的卫星定位。

“一箭双星”拉开序幕——北斗一号、北斗二号

20世纪80年代初,中国开始积极探索适合国情的卫星导航系统。2002年,初步建成北斗卫星导航试验系统(“北斗一号”有源区域卫星导航系统,简称“北斗一号”系统,也有称为“北斗一代”系统的),标志着中国成为继美国、俄罗斯之后世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

2012年12月27日,中国宣布北斗卫星导航区域系统(“北斗二号”无源区域卫星导航系统,简称“北斗二号”系统)从当日起正式提供区域服务。

2017年11月5日19时45分,在西昌卫星发射中心,长征三号乙运载火箭以“一箭双星”方式成功发射两颗北斗导航卫星。这两颗卫星属于中圆地球轨道卫星,是北斗三号第一、二颗组网卫星。成功进入轨道,标志着北斗卫星导航系统全球组网的开始。定位精度提升1至2倍,将为民用用户免费提供约10米精度的定位服务。此次两颗北斗三号卫星成功发射并入轨后,经测试及入网验证,可对外提供服务。作为全球组网的起步,北斗系统正在真正向全球卫星导航系统的角色接近,加快北斗系统服务全球。

“北斗一号”两颗工作卫星和1颗在轨备份卫星分别于2000年10月31日、12月21日和2003年5月25日成功发射,标志北斗一号系统正式建成。

北斗一号系统有3大功能:一是快速定位,精度为20~100米;二是从开机到定位只需要0.7~2秒,实现每次120个汉字以内的短消息通信;三是实现双向20纳秒、单向100纳秒的高精度授时。

值得一提的是短消息通讯系统。“北斗一号”用户机之间的通信不需要借助其他系统,其通信是通过卫星和中心站转发的,可机密级加密,一户一密,安全性高;而且不受用户机之间的高山阻隔或距离的影响,通信速度快,但受限于电文输入速度。这是目前应用最为成功的地方,也是优于美国GPS的最重要功能。GPS只解决了“我在哪里”的定位问题,只具备接收功能。而北斗解决了“你在这里、他在哪里”的问题,具备短讯功能。

北斗二号区域系统已于2012年全部建成。由14颗卫星组成的区域卫星导航系统,重点区内与美国GPS、俄罗斯GLONASS性能相当,并独具短消息通信功能。其核心地区为我国及周边,经纬度为东经75°~135°,北纬10°~55°,定位精度为水平10米,测速精度为0.1~0.2米/秒,授时精度为单向50纳秒,双向10纳秒。服务区为东经55°~180°,南北纬55°。

北斗二号区域系统的地面运行控制系统由1个主控站、2个时间同步/注入站和27(29)个监测站组成。其用户在服务区内任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星,保留了“北斗一号”系统的报文通信功能。

北斗二号区域系统的特点有3个:一是采取与GPS相同的单程无源测距,用户设备可无源工作,没有用户容量的限制;二是在高动态应用方面与GPS完全一致;三是兼容保留北斗一号所有功能,并提升其系统抗干扰性能。

北斗筑梦未来可期

北斗三号系统建设是我国北斗系统“三步走”发展战略的第三步。相比北斗二号系统,北斗三号系统不仅是卫星组网从区域走向全球,同时技术更先进、建设规模更大、系统性更强。北斗三号卫星将增加性能更优的互操作信号,在进一步提高基本导航服务能力的基础上, 按照国际标准提供星基增强服务及搜索救援服务。北斗三号采用星载氢原子钟,其精度将比北斗二号的星载铷原子钟提高一个数量级。

如同停水停电影响城市生活一样,卫星导航服务一旦失效,不仅国家的经济运行要受到极大的影响,人们的生活也将带来很大的不便,这也就给卫星导航系统的可靠性提出了苛刻的要求。总体而言,北斗三号具备高精度、高可靠、高保险、多功能等特点。

北斗已不是单纯的导航系统,而是一种强大的时间、空间工具,可以跟其他许多产业实现融合发展。未来我国高精度市场规模稳健增长,高精度软件、行业解决方案及位置服务收入或成新增长点。

北斗卫星导航系统开通以来,已广泛应用于交通、海事、电力、民政、气象、渔业、测绘市政管网等十几个行业领域,其中,专业应用领域和消费应用领域占据绝大部分。在各分类应用业务中,车辆监控、信息服务、车辆导航、个人跟踪占据了85%的份额。根据《2019中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》显示,近10年来,中国高精度卫星导航市场规模稳步增长,预计2020年,中国卫星导航市场规模超过4000亿元。

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