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GNSS全球导航技术的功能实现及现实应用

我们知道,全球导航系统的出现、发展到全面应用,不但拯救了全世界的路痴,还为国民经济发展带来了难以估量的促进作用。那么,全球导航卫星系统(GNSS)究竟是如何拯救路痴的呢?

 

全球卫星定位导航,资料图


一般来说,我们生活中出门在外,首先要明确自己的位置,然后明确方向,选择最佳的路径,前往目的地。导航卫星都是“广播”卫星,不断地用无线电波向大家报告自己的位置和时间,在地面上的导航用户利用GPS接收机(譬如我们的手机)接收着来自这些卫星广播信号。

接收者需要解算出自己所在时刻所处的位置,在一个3D世界里,位置使用三个量表示的,所以加上时间一起解算出来,就需要四个方程才能求解出四个未知数。

所以说,我们至少要同时接收到4颗以上卫星的信号,才有可能进行定位。当然,实际情况肯定是多多益善。因此,要实现全球定位,就需要足够多的卫星来提供定位信息。

全球定位导航是如何实现的?

要实现全球导航,就需要一个覆盖全球的卫星星座,而这个卫星星座的主流四大系统都选择了中高轨道(MEO)来部署导航星座。正是利用了MEO,我们可以使用20多颗到30颗左右的卫星来实现全球的广播信号覆盖,同时,也因为MEO轨道发射费用低于地球同步轨道,系统实现的成本也比较低。

由于所有信号都是以光速传播的电磁波,所以,时间的准确性就显得尤为重要。也就是说,每颗卫星带在身边的“表”要非常地准,1ns(一秒的10亿分之一)的时间误差都会带来0.3米的位置误差。

星上携带的钟要很准,要达到1000年只能差1秒的水平,运行中由国家授时中心提供时间基准,实现统一的时间。时间精度保证了,解方程不是还有卫星的位置吗?

那是当然。

所有卫星的位置通过准确的测算形成卫星的轨道星历,卫星在广播的时候就会广播这个位置信息,地面的接收机就可以依据这些信息来计算卫星在特定时刻的准确的位置了。

全球卫星导航系统是一个非常复杂的系统,在系统运行过程中还有很多因素在影响着系统的定位精度。例如,卫星在广播的过程中要穿过大气层中的电离层和对流层造成电磁波的时延、信号在传播路径上收到遮挡(高楼,高山等)、被障碍物折射的信号造成的多路径误差等等。

对此,导航增强技术便应运而生,比如在差分技术,通过一个测站来校正接收机的测量误差,从而实现较好的定位精度。

GNSS在全球的应用

目前,全球卫星导航系统不但可以服务于军事,为国民生产提供时间、位置信息(大型工程建设的测绘、支持全面的物联网物流信息),还实现便民服务(如帮助我们找路),以及更多其他的应用。

例如,由于卫星导航使用的是L波段的信号进行广播的,我们可以利用GNSS信号经过地面的反射后重新测量,从而领用土壤水分对L波段的吸收特性来进行土壤湿度的监测。

另外,我们也可以通过测量GNSS经过大气传播衰减后的信号来反演出气象数据从而获得大气的温度、压力和湿度值。使得构建更加有效的天气预报系统成为可能。

我国的北斗系统建设

当然应用不止于此,正所谓脑洞越大,世界越大。2020年,我们国家将建设完成覆盖全球的卫星定位导航系统北斗。并牵引一个庞大的民用产业链的形成。

中国的北斗系统在系统的兼容性,精准定位,授时以及通信服务方面都具备很多优势,我国的卫星导航产业已经进入了一个高速发展期。

中国科学院在北斗卫星系统和应用系统的建设过程中,发挥自己的优势和特长,从单项技术突破到卫星研制以及地面应用设备等方面都做出的贡献,相信在未来的发展中还会发挥更大的作用。

此文关键字:GNSS定位导航 GPS 定位导航

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