现代卫星导航技术

摘 要 从船只到飞机，从汽车到火车，现代交通工具的发展可谓日新月异，要想安全、快捷地到达目的地，准确、及时、便捷的导航工具是不可或缺的。导航的按原理一般分为天文导航、无线电导航、惯性导航、地磁导航等，随着空间技术的发展，人们找到了一种理想的导航工具，即利用地球卫星进行导航。卫星导航可以为陆地、海洋、空中和空间的目标提供导航定位服务，且不受气象条件和航行距离的限制，导航精度比较高，所以被广泛的运用于现代生产生活之中。本文就卫星导航技术的概念，种类和发展做出了阐述和总结，就全球定位系统（GPS）和北斗导航定位系统的原理及特点做出了分析，并对未来卫星导航技术的发展做出了展望。

【关键词】导航技术 卫星 空间探测

1 导航技术的概念、方法和要求

1.1 导航技术

将用户从起始点导引到目的地的技术被称为导航，其是集定位和导向于一身的高新科技技术。导航系统不仅可以为目标提供定位服务，其速度，航向也可以由导航系统提供。

现代常见的导航方式主要有航标方法、航位推算法、天文导航、惯性导航、无线电导航、卫星定位导航。

1.2 航行体对导航系统的要求

为运载体航行提供服务是导航系统的基本功能，所以它所提供的服务应该满足航行所提出的一般要求和特定要求。现代导在满目航行所要求的基本目的性的同时，更要满足航行的安全性、服务连续性和有效性等多种复杂要求。一般来说，要衡量一个导航系统的优劣，必须考虑其精度、覆盖范围、信息及时率、可用性、可靠性、多值性、导航信息的维数等等。

2 现代导航卫星的类别

（1）导航卫星按导航原理分为时间测距导航卫星和多普勒导航卫星；

（2）根据用户是否需要向卫星发射信号，分为主动式导航卫星和被动式导航卫星，例如“子午仪”卫星和GPS卫星均属于被动式导航卫星；

（3）按照導航卫星轨道高度可分为低轨道、中轨道、高轨道和地球同步轨道导航卫星；

（4）按照用途不同又可分为军用导航卫星和民用导航卫星。例如，现在我国的北斗导航系统为军用卫星，我们日常生产生活所用的全球定位系统（GPS）则使用民用卫星；

（5）按照覆盖区域分为全球导航卫星和区域导航卫星。

3 全球定位系统（GPS）

3.1 全球定位系统的组成

GPS系统主要由空间部分、地面控制部分、用户终端部分三部分所构成。

3.1.1 GPS空间部分

空间部分指GPS系统的卫星星座，其由高度为20230km的21颗卫星组成的卫星星座和三颗备份卫星所构成。每个卫星分布在等间隔、固定倾角的轨道上，GPS中每颗卫星的运行周期为T=718min。系统的卫星分布如图1和图2。

GPS卫星上除了具有一般卫星系统所共有的跟踪、遥测、指令等系统外，主要还有L波段双频发射器、S波段接收机、伪随机码发生器、长期稳定的原子钟等。GPS导航卫星的主要任务是发射导航信号，反向接收由地面控制部发送到卫星的导航电文，经过一定的处理后发射给地面的导航目标；除此之外，导航卫星还要接收地面控制部分发射的卫星控制和调度命令，适时的改正运行偏差等。

3.1.2 GPS地面控制部分

一般来说，主控站、注入站和监测站三种站点组成了地面控制部分的导航站系统。

主控站主要任务是接收和处理本站和各监测站的测量数据，计算卫星的轨道和时钟参数，并将预测的卫星各种信息数据发射出，进而被导航卫星所接收；监测站主要任务是为指控站提供卫星测量数据；注入站的主要任务是将主控站发送来的导航电波发射到相应的导航卫星上。三种导航站相互配合，确保了GPS信号的准确计算和高速传输。

3.1.3 GPS用户部分

GPS系统的用户部分主要是由各种的GPS接收机终端所组成。接收机的主要功能是：接收卫星发射的信号并利用本机产生的伪随机代码取得激励观测值和导航电文；此外，其内置有供导航计算的算法，根据导航点电文提供的卫星位置和钟差修正信息，计算出接收机的位置，从而实现导航服务功能。

3.2 GPS系统的定位原理

GPS系统的流程一般为：

（1）GPS定位卫星不断向地球表面发射经过高级编码的电磁波信号，信号中含有卫星信号发射的准确时间，以及此时刻卫星在轨道空间中的准确位置等信息；

（2）在地表或空间的卫星导航终端接收到卫星的信号之后，记录信号到达得准确时间，并且计算卫星和用户之间的距离；

（3）通过导航算法，一般是滤波估计方法或数学最小二乘法，计算出用户的位置，实现导航功能。

各个步骤相互映射，缺一不可，如果在一个步骤出现误差，则往往会导致最终导航结果出现较大的累积误差。

一般来说，GPS定位的基本原理为三球相交方程，其公式为：

式中，c0是电磁波的传播速度（光速）；△t为用户所处的时间，x，y，z，△t为用户所处三维坐标和一维时间。当接收机与卫星进行通讯时，接收机接收到距离四颗卫星的距离信息，便有了四个以上的方程，联立起来，便可以解出x，y，z，△t四个未知数，即得出了目标的位置和实时的时间。

此外，GPS还可以准确地解出用户的三维速度，其与载波结合还可以进行高精度定位和姿态确定问题。

3.3 GPS系统的特点和应用

卫星分布图、信号编码特点和信号传输与测量方法的差异决定了现代卫星导航系统的特点。GPS系统具有的卫星数量众多、卫星轨道较高的星座特点，多种伪随机代码的扩频调制的信号编码特点，多种高频率、高等级电磁波的信号传输方法特点，从而使其具有全球覆盖、全天候、全天时、高精度、多功能、高保密、连续的众多特点。

GPS除了能为用户提供位置、速度和时间等基本信息，通过其它系统协作还可以导出姿态、三维姿态角等数据，所以GPS是一种集定位、测速、授时和定姿态等多功能于一体的多功能定位导航系统，故它可以广泛运用于陆、海、空、天各类军民载体的导航定位、速度测量、姿态捕捉和授时等服务。特别是随着微电子技术、计算机技术、通信技术和导航技术飞速发展，GPS不断突破其原有领域，成为人类生活中不可缺少的重要技术之一。

4 北斗卫星导航系统

20世纪90年代美国建成GPS，欧洲和俄罗斯也正在建设各自的导航定位系统。我国在20世纪80年代确定建立符合我国国情的、独立的、区域性的、能覆盖我国领土范围、军民两用的第一代“北斗”卫星导航系统。

4.1 第一代北斗导航系统

第一代北斗導航系统由两颗静止卫星，一个地面控制计算中心站组成。两颗北斗卫星分标称覆盖范围为东经70°～145°，北纬5°～55°，运行稳定。2003年我国又发射了第三颗北斗卫星，这是该系统的备份星。它与前两颗已经发射的工作星组成新一代完整的北斗卫星定位导航系统，从而准确保证全天候、全天时为我国提供区域性的卫星导航信息服务。其示意图如图3所示。

北斗卫星导航的定位思想与GPS类似，也是基于多球定位的方法，中心站利用三个面交点的几何关系，计算出用户所处的三维坐标，并通过卫星发送给用户，实现为用户定位的目的。

第一代北斗卫星导航系统具有以下的特点：

（1）快速定位。地面中心站在接收到用户定位的响应信号之后，迅速计算出用户的坐标，再通过卫星发回用户，用户便可在显示屏上看到自己所在的位置，这所有的操作在秒级之内完成。

（2）实时导航。地面中心站可以根据用户的连续的定位信息，解出用户前进目标的速度和方向，其与地图数据库配合，可以为用户提供实时路况等信息。

（3）简短通信。北斗导航系统是双向闭合回路，每个用户都有专用的识别码。用户通过中心站可以互相发送信息，报文数据最大长度可达210字节。

此外，此代北斗导航系统还有精密授时，终端成本低等优点。

4.2 第二代北斗导航系统

第二代北斗卫星导航系统的空间部分将在第一代基础上逐步扩展为具有5颗静轨道卫星、30颗非静止轨道卫星组成的导航星座，其中24颗中高轨道卫星设置在3个轨道平面上，轨道倾角35°，轨道高度21500km，周期为12h55min。系统地面部分将建有主控站、注入站和监测站等若干个地面站。建成后将是性能更加完善、精度更高的全球定位导航系统。实现无源定位，并具有连续实时三维定位、测速和授时能力，还把北斗一代的短报文通信功能。我国预计在2020年前完成第二代北斗卫星导航系统的建设工作，届时将成为与美国GPS并驾齐驱的导航系统，也成为我国自主研发的独立于国外的高精度导航系统。

4.3 北斗卫星导航系统的应用

北斗卫星导航系统是我国具有自主知识产权的卫星导航系统，有着极其广泛的使用领域，比如巡逻搜捕、汽车导航、公安行动、抗震抢救、交通管制和各种灾害的播报等都有着广泛的应用，并且在个人导航、娱乐设施等方面都有着巨大的用户量，是我国推动我国信息产业发展的亮点和新的经济增长点，必将带动我国的高新技术进入新的时代。

5 卫星导航的未来发展

随着科学技术的不断进步和国防力量的不断加强，未来卫星导航技术必将被世界各国重视，军事战略和战术的变化，导航系统技术也将发生日新月异的变化。未来卫星导航技术主要向以下几个方面发展：

5.1 更高精度

具有厘米，毫米级的导航系统会替代现有的导航系统，给人们提供更加精确的位置服务。

5.2 更加有效率的终端

接收器将往集成化，低功耗，多功能，反应更加迅速方向发展。

5.3 抗干扰能力提高

卫星导航的电磁波通过先进的传输格式处理后，可以更好的防干扰，从而在作战中始终保持稳定的运行。

卫星导航技术已经渗入现代行业的各个领域，随着现代卫导航技术的愈发完善，不论是在民用领域还是军用邻域，现代卫星导航技术都是不可或缺的重要一部分。

参考文献

[1]陈芳允等.卫星测控手册[M].北京：科学出版社，1992（02）：10-18.

[2]周智敏.现代航天测控原理[M].长沙：国防科技大学出版社，1998（03）：55-56.

[3]李征航，张小红.卫星导航定位新技术及高精度数据处理方法[M].武汉：武汉大学出版社，2009，10（08）：108-111.

作者简介

钟子亮（1999-），男，上海市人。现为上海市七宝中学学生。

作者单位

上海市七宝中学 上海市 201101