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    解读全球四大卫星定位系统
    发布时间:2010-10-18

     

    (检索词:GPS、卫星定位、儿童手机)

    说起卫星定位导航系统,人们就会想到GPS,但是现在,伴随着众多卫星定位导航系统的兴起,全球卫星定位导航系统有了一个全新的称呼:GNSS(Global Navigation Satellite System)。当前,在这一领域最吸引人眼球的要数美国的GPS卫星导航系统;此外,还有俄罗斯的“格洛纳斯” 导航卫星系统,欧盟的“伽利略”导航卫星系统,以及我国自主开发的“北斗”导航卫星系统。

     

    美国GPS系统

     

    GPS(Global Position System)全球定位系统是目前最成熟的卫星定位导航系统。它是美国从上世纪70年代开始研制,历时20年,耗资近200亿美元,于1994年全面建成的新一代卫星导航与定位系统。GPS利用导航卫星进行测时和测距,具有在海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力。它是继阿波罗登月计划、航天飞机后的美国第三大航天工程。如今,GPS已经成为当今世界上最实用,也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。

     

    GPS全球定位系统由空间系统、地面控制系统和用户系统三大部分组成。其空间系统由21颗工作卫星和3颗备份卫星组成,分布在20200千米高的6个轨道平面上,运行周期12小时。地球上任何地方任一时刻都能同时观测到4颗以上的卫星。地面控制系统负责卫星的测轨和运行控制。用户系统为各种用途的GPS 接收机,通过接收卫星广播信号来获取位置信息,该系统用户数量可以是无限的。

     

    GPS全球定位系统是美国为军事目的而建立的。1983年一架民用飞机在空中因被误以为是敌军飞机而遭击落后,美国承诺GPS免费开放供民间使用。美国为军用和民用安排了不同的频段,并分别广播了P码和C/A码两种不同精度的位置信息。目前美国军用GPS精度可达1米,而民用GPS理论精度只有10米左右。特别地,美国在90代中期为了自身的安全考虑,在民用卫星信号上加入了SA (Selective Availability),进行人为扰码,这使得一般民用GPS接收机的精度只有100米左右。2000年5月2日,SA干扰被取消,全球的民用GPS接收机的定位精度在一夜之间提高了许多,大部分的情况下可以获得10米左右的定位精度。美国之所以停止执行SA政策,是由于美国军方现已开发出新技术,可以随时降低对美国存在威胁地区的民用GPS精度,所以现在这种高精度的GPS技术才得以向全球免费开放使用。

     

    爱贝多Q9GPS系列儿童安全监护手机用的就是美国GPS卫星定位技术,定位精准度可以达到10米,比目前市面上采用移动基站定位的儿童手机的定位精准度提高了近40倍。

     

    受应用需求的刺激,民用GPS技术蓬勃发展,出现了DGPS(差分GPS)、WAAS(地面广播站型态的修正技术)等技术,进一步提高民用GPS的应用精度。2005年,美国开始发射新一代GPS卫星,开始提供第二个民用波段。未来还将提供第三,第四民用波段。随着可用波段的增加,新卫星陆续使用,GPS定位系统的精度和稳定性都比过去更理想,这必将大大拓展GPS应用与消费需求。此外新卫星也提供更优秀的军用支持能力,当然这只对美国军方及其盟友有益。

     

    美国利用GPS获得了巨大的经济利益,多年来在出售信号接收设备方面赚取了巨额利润。以GPS为代表的卫星导航定位应用产业,已成为八大无线电子产业之一。虽然GPS已广泛应用,但也绝非完美无缺。例如,其规模太大、造价太高,其它国家很难效仿;GPS只能导航,无法通信,因而不能满足日益增长的用户需求;如果仅依赖GPS,则容易受美国控制。为了提高国防安全,以及从广阔的导航市场获取利益,一些有能力的国家建设了自己的卫星导航系统。

     

    俄罗斯 “格洛纳斯” GLONASS

     

    “格洛纳斯”GLONASS是前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统,覆盖范围包括全部地球表面和近地空间,也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。虽然“格洛纳斯”系统的第一颗卫星早在1982年就已发射成功,但受苏联解体影响,整个系统发展缓慢。直到1995年,俄罗斯耗资30多亿美元,才完成了GLONASS导航卫星星座的组网工作。目前此卫星网络由俄罗斯国防部控制。

     

    GLONASS系统由24颗卫星组成,原理和方案都与GPS类似,不过,其24颗卫星分布在3个轨道平面上,这3个轨道平面两两相隔120°,同平面内的卫星之间相隔45°。每颗卫星都在19100千米高、64.8°倾角的轨道上运行,轨道周期为11小时15分钟。地面控制部分全部都在俄罗斯领土境内。俄罗斯自称,多功能的GLONASS系统定位精度可达1米,速度误差仅为15厘米/秒。如果需要,该系统还可用来为精确打击武器制导。

     

    俄罗斯对GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放政策。GLONASS一开始就没有加SA干扰,所以其民用精度优于加SA的GPS。不过,GLONASS应用普及情况则远不及GPS,这主要是俄罗斯并没有开发民用市场。另外,GLONASS卫星平均在轨寿命较短,由于俄罗斯航天局经费困难,无力补网,导致轨道卫星不能独立组网,只能与GPS联合使用。致使实用精度大大下降。

     

    2003年的伊拉克战争对俄罗斯产生了相当大的震动,迫使俄罗斯领导层再次对太空的军事用途重视起来。普京总统曾强调,出于国家安全战略的考虑,俄罗斯应该使用本国的“格鲁纳斯”系统,而非美国的GPS或者是欧洲的“伽利略”导航系统。俄罗斯正在着手GLONASS系统的现代化改进工作,新一代“GLONASS-M”型导航卫星已陆续投入发射,开始使用。

     

    日前俄罗斯官方宣布,从2007年起,俄全球卫星导航系统“格洛纳斯”将全面启动民用商业服务计划,“格洛纳斯”系统为俄罗斯公民提供不限制精度的导航定位服务,将有助于促进民用卫星导航市场的发展。为“格洛纳斯”带来新的生机,军转民计划有望使GLONASS获得新的生机。

     

    目前,“格洛纳斯”系统实际在轨卫星达17颗,到2007年底,“格洛纳斯”系统将覆盖整个俄罗斯,届时该系统卫星总数将增加到18颗;而到2009年末,该系统卫星总数将增加到24颗,真正实现全球定位导航。届时,GLONASS系统将具备与美国GPS系统相抗衡的实力。

     

    欧盟 “伽利略” GALILEO卫星定位系统

     

    总投资达35亿欧元的伽利略计划是欧洲自主的、独立的民用全球卫星导航系统,提供高精度,高可靠性的定位服务,实现完全非军方控制、管理,可以进行覆盖全球的导航和定位功能。

     

    欧盟发展“伽利略”卫星定位系统可以减少欧洲对美国军事和技术的依赖,打破美国对卫星导航市场的垄断。法国总统希拉克曾表示,没有“伽利略”计划,欧洲“将不可避免地成为附庸,首先是科学和技术,其次是工业和经济”。

     

    “伽利略”计划是一种中高度圆轨道卫星定位方案。“伽利略”卫星导航定位系统的建立将于2007年底之前完成,2008年投入使用,总共发射30颗卫星,其中27颗卫星为工作卫星,3颗为候补卫星。卫星高度为24126公里,位于3个倾角为56度的轨道平面内。该系统除了30颗中高度圆轨道卫星外,还有2个地面控制中心。

     

    欧盟伽利略计划的首颗卫星在2005年12月28日升空,第二颗卫星预计在今年发射。由于伽利略计划采用欧盟公共机构和联盟内私营企业合营的方式,而各国私营企业迟迟未就权利和利益分配达成妥协。欧盟相关发言人承认,由于上述问题的存在,伽利略系统实现商业运行的时间已经被推迟到了2011年甚至更晚。

     

    作为一个大型战略性国际合作项目,伽利略计划的实施进展关乎多方利益。到目前为止,欧盟已经与中国、以色列、美国、乌克兰、印度、摩洛哥和韩国分别签署了合作开发协议,并正在与阿根廷、巴西、墨西哥、挪威、智利、马来西亚、加拿大以及澳大利亚等国进行合作谈判。中国是最早与欧盟签订伽利略计划合作协议的非欧盟国家,承诺的投资总额达2亿欧元。可以说,作为欧盟日益重要的全球合作伙伴之一,中国参与伽利略计划是中欧双方共同的经济和战略利益需要。

     

    与美国的“全球定位系统”(GPS)相比,建成后的伽利略系统将具备至少3方面优势:首先,其覆盖面积将是GPS系统的两倍,可为更广泛的人群提供服务;其次,其地面定位误差不超过1米,精确度要比GPS高5倍以上,用专家的话说,“GPS只能找到街道,而伽利略系统则能找到车库门”;第三,伽利略系统使用多种频段工作,在民用领域比GPS更经济、更透明、更开放。伽利略计划一旦实现,不, 仅可以极大地方便欧洲人的生活,还将为欧洲的工业和商业带来可观的经济效益。更重要的是,欧洲将从此拥有自己的全球卫星定位系统,这不仅有助于打破美国GPS系统的垄断地位,在全球高科技竞争浪潮中夺取有利位置,更可以为建设梦想已久的欧洲独立防务创造条件。

     

    中国自主开发北斗导航系统(Compass Navigation Satellite System)

     

    中国在大力参与伽利略计划的同时,始终没有放弃开发自有卫星导航系统的努力。

     

    2003年5月25日,我国成功地将第三颗“北斗一号”导航定位卫星送入太空。前两颗“北斗一号”卫星分别于2000年10月31日和12月21日发射升空,第三颗发射的是导航定位系统的备份星,它与前两颗“北斗一号”工作星组成了完整的卫星导航定位系统,确保全天候、全天时提供卫星导航信息。这标志着我国成为继美国全球卫星定位系统(GPS)和前苏联的全球导航卫星系统(GLONASS)后,在世界上第三个建立了完善的卫星导航系统的国家,

     

    我国的“北斗一号”卫星导航系统是一种“双星快速定位系统”。突出特点是构成系统的空间卫星数目少、用户终端设备简单、一切复杂性均集中于地面中心处理站。“北斗一号”卫星定位系统是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统。系统的主要功能是:

     

    1、定位:快速确定用户所在地的地理位置,向用户及主管部门提供导航信息。

     

    2、通讯:用户与用户、用户与中心控制系统间均可实现双向短数字报文通信。

     

    3、授时:中心控制系统定时播发授时信息,为定时用户提供时延修正值。

     

    “北斗一号”的覆盖范围是北纬5°一55°,东经70°一140°之间的心脏地区,上大下小,最宽处在北纬35°左右。其定位精度为水平精度100米,设立标校站之后为20米(类似差分状态)。工作频率:2491.75MHz。系统能容纳的用户数为每小时540000户。

     

    2007年2月3日零时28分,我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭,成功将北斗导航试验卫星送入太空。这是我国发射的第四颗北斗导航试验卫星,从而拉开了建设“北斗二号”卫星导航系统的序幕。2007年4月14日,我国又将成功将第五颗“北斗”导航卫星送入太空。

     

    “北斗”导航卫星系统是世界上第一个区域性卫星导航系统,可全天候、全天时提供卫星导航信息。与其它全球性的导航系统相比,它能够在很快的时间内建成,用较少的经费建成并集中服务于核心区域,是十分符合我国国情的一个卫星导航系统。 “北斗”导航定位卫星工程投资少,周期短;将导航定位、双向数据通信、精密授时结合在一起,因而有独特的优越性。

     

    中国正大力建设“北斗”卫星导航系统,计划在2008年左右满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求,并进行系统组网和试验,2010年逐步扩展为全球卫星导航系统。

     

    “北斗”卫星导航系统除了在我国国家安全领域发挥重大作用外,还将服务于国家经济建设,提供监控救援、信息采集、精确授时和导航通讯等服务。可广泛应用于船舶运输、公路交通、铁路运输、海上作业、渔业生产、水文测报、森林防火、环境监测等众多行业。

     

    卫星导航进入争霸格局

     

    卫星导航系统是重要的空间基础设施,为人类带来了巨大的经济效益和社会效益,涉及政治、经济、军事等领域,对维护国家利益具有重大意义。中国作为发展中国家,拥有广阔的领土和海域,有必要也有能力拥有自己的全球卫星定位系统。我国政府高度重视卫星导航系统的建设,努力探索和发展拥有自主知识产权的全球卫星导航定位系统。目前,世界上只有少数国家具备自主建设卫星导航系统的能力,正在运行的有美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统,中国参与的欧洲伽利略全球卫星定位计划也正在紧锣密鼓地进行。

     

    为打破美国的垄断,俄罗斯耗资30多亿美元建起了自己的全球卫星导航系统GLONASS(格洛纳斯)。2002年,欧盟与其它国家合作开发了“伽利略”卫星导航系统。此外,中国自主研发的北斗卫星导航系统已经取得重大进展。

     

    从目前的竞争格局看,GPS无疑还占据着主导地位,但它的优势正逐步被其它3大系统所取代。从技术和应用前景上看,四大系统各有优劣,如果说 GPS胜在成熟,伽利略胜在精准,那么格洛纳斯的最大价值就在于抗干扰能力强,而中国的北斗卫星导航系统的优势则在于互动性和开放性。

     

    与GPS相比,伽利略系统在许多方面具有优势,例如其卫星数量多达30颗,其卫星轨道位置比GPS高。伽利略可为地面用户提供3种类型的信号供选择,其中包括免费信号、加密且需交费才能使用的信号、加密且可以符合更高要求的信号。

     

    此外,伽利略卫星定位系统信号的最高精度比GPS高10倍,确定物体的误差范围在1米之内。正如有关专家所说:“如今的GPS只能找到街道,而伽利略却能找到车库的门。”而俄罗斯的格洛纳斯由24颗卫星组成,也是由军方负责研制和控制的军民两用导航定位卫星系统。尽管其民用定位精度比GPS、伽利略略低,但其抗干扰能力却是最强的。

     

    中国自行研制生产的北斗卫星导航系统不仅具备在任何时间、任何地点为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度的能力,而且在定位性能上有所创新。北斗系统与其它系统最大的不同,在于它不仅能使用户知道自己的所在位置,还可以告诉别人自己的位置,特别适用于需要导航与移动数据通信的应用场合。此外,中国还致力于提高北斗卫星导航系统与其它全球卫星导航系统的兼容性,促进卫星定位、导航、授时服务功能的应用。

     

    显而易见,建设卫星导航定位系统不仅经济效益显着,更是一个国家国防和综合实力的重要标志。GPS定位系统已经让美国在参与的多场地区战争中获得帮助。印度,日本等国也都在大力发展卫星导航系统。由于全球将出现多套全球导航定位系统,从市场的发展来看,将会出现多种导航系统竞争的局面。竞争会使用户得到更稳定的信号、更优质的服务。世界上多套全球导航定位系统并存,相互之间的制约和互补将是各国大力发展全球导航定位产业的根本保证。

     

     

     

     

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