中国版GPS:北斗卫星导航定位系统

2010-01-21 15:58:05 来源: 网易军事
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1月17日,中国成功用长征三号丙运载火箭发射了第3颗北斗二代导航卫星。在此之前中国已建立北斗一代系统,并通过总结其运行经验和缺陷,开始大规模发展北斗二代即北斗卫星导航定位系统。此次成功发射也让今年北斗二代系统卫星的密集发射有了一个好的开端。

第3颗北斗导航卫星发射日期一推再推,17日终于发射升空。

2010年1月17日凌晨12分零4秒,中国西昌卫星发射中心使用长征三号丙运载火箭成功发射了COMPASS-G1卫星,这是中国2010年的首次发射,也是北斗卫星导航系统的第三颗卫星。

早期1991年第一次海湾战争期间,我国观众通过电视屏幕深刻体会了现代战争的高科技特性,在关注爱国者大战飞毛腿之余,GPS这个词也开始第一次进入大众视野。

几年过后,GPS系统进入我们的生活,其高精度的定位能力和便利都让熟悉传统定位方式的人啧啧称奇,与此同时同样产生的还有疑问:我们的GPS在哪里?

美国早期的卫星定位耗时太长,只能是给核潜艇定位用用。

美国海军子午仪卫星导航系统

论及GPS的产生,军事需求是无法绕过的话题。洲际弹道导弹发射需要对发射点进行高精度的定位,以保证洲际导弹的精度。早期导弹纯惯导对此要求更高,是货真价实的差之毫厘谬之千里。陆基部署尤其是发射井方式可以实现传统方式定位,而茫茫大洋上的核潜艇则不可能有这样的便利。

为此,美国海军开发了子午仪(Transit)卫星导航系统,又称海军卫星导航系统,自1960年4月到最后的发射,总计发射了30多颗子午仪卫星,采用多普勒原理定位。不过子午仪导航系统存在先天缺陷,如不能连续实时导航,只能给出经纬度的二维坐标,用户必须等待卫星飞过头顶才能定位,一次定位需要5~6分钟等。这些对海军核潜艇不成问题,但是对其他军种却是很大的障碍。

GPS全球卫星定位系统由24颗卫星组成,定位快且覆盖全面。

GPS与GLONASS(格洛纳斯)

几经波折,美国第二代卫星导航系统全球定位系统(GPS)应运而生。GPS系统1973年得到美国国防部批准,1994年正式建成。GPS采用RNSS伪距定位原理,导航频率为L频段,24颗卫星分布在6个轨道面上,轨道高度为20330公里,民用定位精度10~100米。

在使用时,用户通过终端机接收到附近4颗GPS卫星发出的授时信号,即可计算自己与该4颗卫星的分别距离,从而推算出自己所处的经纬度坐标和高度。

美国的冷战对手苏联人同期也建立了基于多普勒原理的圣卡达系统和基于伪距定位原理的格洛纳斯(GLONASS)系统。“格洛纳斯”卫星导航系统计划始于上世纪70年代。这一系统至少需要18颗卫星为俄全境提供卫星定位及导航服务,如要提供全球服务,则需要24颗卫星在轨工作。在俄罗斯完成该系统全部卫星的部署后,其卫星导航范围可覆盖整个地球表面和近地空间,定位精度将达到1.5米以内。但现在俄罗斯因经济困难,所有卫星迟迟未有部署到位,导致定位精度误差较大。

北斗一代定位需要终端主动发出定位信号。

“双星定位”原理的提出

作为一个大国,我国同样也有高精度定位的要求,但是我国底子薄经济技术实力不足,早期很难投入很多资金进行暂时还没有太大用途的卫星定位导航系统。1983年我国陈方允院士和美国普林斯顿大学Gerard K.Oneil博士同时提出了“双星定位”原理。与GPS系统相比,基于双星定位的导航系统可以2颗卫星实现导航能力,所需卫星数量比GPS少得多,虽然在性能上无法和GPS星座相比,但对于无力进行巨额投资的我国却是不错的选择。

北斗一代已投入使用

1989年,“双星定位”原理进行演示性试验成功。1994年开始工程研制建设,1995年8月ITU公布了ChinaSat 31、32、33的资料。2000年10月31日和2000年12月21日,前两颗北斗一代导航定位卫星发射升空,北斗一代导航定位系统正式开始运行,我国成为第三个拥有卫星导航定位系统的国家。2003年5月25日,第三颗北斗一代导航定位卫星发射成功。

解放军装备了一部分北斗手持机(上图),相比连手机都可接收信号的GPS(下图),两方差距甚大。

北斗一代的缺陷

北斗一代导航定位系统就性能来说,和美国GPS与俄罗斯GLONASS相比差距甚大。

1、覆盖范围也不过是初步具备了我国周边地区的定位能力,与GPS的全球定位相差甚远。

2、定位精度低,定位精度最高20米,而GPS可以到10米以内。

3、由于采用卫星无线电测定体制(RDSS),用户终端机工作时要发送无线电信号,会被敌方无线电侦测设备发现,不适合军用。

4、无法在高速移动平台上使用,这限制了它在航空和陆地运输上的应用。

当然,北斗一代也有些GPS所没有的优点。例如,具备简短的报文通信功能,具备双向数字报文通信能力,单次最多传送60个汉字的信息。此外北斗一代导航定位系统从原理上说,多路径效应存在都不影响定位精度,受地貌影响不明显等优点,不会有GPS林下无信号的尴尬。但是由于导航系统基本的定位授时性能上的差距,北斗一代作为导航定位系统是无法与GPS在市场上竞争的。

中国从2007年开始正式建设北斗卫星导航定位系统。

中国版GPS的开始

随着我国综合国力的提升和卫星导航定位系统全面渗透普通人的生活,还有科索沃战争和第二次海湾战争美国GPS制导高精度打击武器的诱惑,构建一个类似GPS的全球卫星导航定位系统开始提上日程,开始被称为北斗二代导航定位系统。

2007年2月3日,北斗一代第四颗卫星发射成功,不过此时,北斗一代已经改名为北斗导航试验系统,原来的北斗二代则称为北斗卫星导航定位系统,英文名为Compass Navigation Satellite System。第四颗北斗导航试验卫星不仅作为早期三颗卫星的备份,同时还将进行北斗卫星导航定位系统的相关试验。以北斗导航试验系统为基础,我国开始逐步实施北斗卫星导航系统的建设,首先满足中国及其周边地区的导航定位需求,并进行系统的组网和测试,逐步扩展为全球卫星导航定位系统。

北斗二代需要的卫星数量足足要比GPS多出11颗。

北斗二代需要发射35颗卫星

按照规划,北斗卫星导航定位系统将有5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成,采用东方红3号卫星平台。30颗非静止轨道卫星又细分为27颗中轨道(MEO)卫星和3颗倾斜同步(IGSO)卫星组成,27颗MEO卫星平均分布在倾角55度的三个平面上,轨道高度21500公里。

北斗卫星导航定位系统将提供开放服务和授权服务。开放服务在服务区免费提供定位,测速和授时服务,定位精度为10米,授时精度为50纳秒,测速精度为0.2米/秒。授权服务则是军事用途的马甲,将向授权用户提供更安全与更高精度的定位,测速,授时服务,外加继承自北斗试验系统的通信服务功能。

2009年第二颗北斗导航卫星发射后,屡出故障最后失控。

北斗二代卫星屡出故障

2007年4月13日,第一颗正式的北斗卫星导航定位系统卫星发射成功,这颗卫星是MEO轨道卫星,编号北斗中轨道卫星1号,英文名为Compass-M1。类似的,北斗卫星导航定位系统的5颗GEO卫星分别命名为GEO-1至GEO-5。

2009年4月14日,北斗同步轨道2号卫星发射成功,不过很不幸的是,改进的东方红3号甲平台出现故障,导致不久卫星失控,抢救复生后又再次失控。2009年北斗卫星平台出现问题,祸不单行的是,用于发射北斗的长征三号系列火箭在8月底发射印尼Palapd-D卫星时又出现故障,导致原定的北斗卫星密集发射一拖再拖,直到2010年1月16日,北斗同步轨道1号卫星发射成功,才终于重振旗鼓。

或许有读者疑问,为什么2009年发射的是北斗同步轨道2号卫星,2010年发射的却反而是1号呢,这是因为北斗卫星导航定位系统的GEO卫星在赤道上空的分布是58.75°E,80°E,110.5°E,140°E和160°E,按照经度排列分别命名为G1到G5,与发射顺序无关。

央视曝光北斗卫星上的激光发射器,其技术已达世界先进。

卫星信号强于现有的GPS

北斗卫星导航定位系统的基本定位是由27颗MEO卫星完成的,通过三个55°倾角的轨道平面个部署9颗卫星,定位精度可以达到10米以内,理论上可以达到水平和垂直方向7.5米精度,北斗系统尽管是GPS系统的仿制品,但根据2007年MEO-1卫星发射后国外技术人员对信号的测定,北斗卫星导航定位系统在B1频段比GPS高7个dB,充分体现了后发优势,在新的GPS III系统部署前,北斗卫星导航定位系统的性能要优秀得多。

中国及周边地区导航精度提升

5颗静止轨道卫星不仅提供RNSS服务,还继承了试验系统的RDSS信号链路,仍保留了短报文通信功能。为了提高定位精度满足航空I类精密进近(CAT-1)的要求,我国采用GEO卫星进行了精度增强,5颗GEO卫星完全可以满足我国及其周边地区的CAT-1精度要求,达到垂直定位4.4~7.7米的性能,在高密度可见星区可以满足国土资源调查的无基站水平1米实时定位精度要求,在北斗卫星导航系统建成后实现这些性能的话,北斗的性能将超越现有的GPSII系统,甚至超过一些GPS区域增强系统增强后的性能。

国产雷石6滑翔炸弹采用GPS制导,急需北斗来进行替换。

高纬度地区导航精度提升

为了满足高纬度地区进行信号增强工作的需求,增设了3颗IGSO轨道卫星。IGSO卫星高度和静止轨道卫星相同,但是倾角不为0,因此轨道中心在赤道设定的经度上,星下点南北来回运动在地面上划出很明显的8字形轨迹。IGSO轨道卫星克服了GEO卫星在高纬度地区仰角过低的问题,可以对高纬度地区进行有效的信号增强。3颗IGSO卫星轨道最北到北纬55°,可对我国领土范围内进行有效的精度增强。

卫星导航的第一目的是为军事服务,即使GPS也是如此。从094核潜艇形成战斗力考虑,国内一直论证5IGSO甚至7IGSO卫星,将增强范围大幅度北推,满足我国战略核武器系统的定位需求。北推的增强范围的另一个思路是类似于日本准天顶(Quasi-Zenith Satellite System)GPS增强系统,轨道高度不在同步轨道上,将8字形变形大幅度北推,以较少的卫星实现需求的信号定位增强性能。

从设计上说,北斗系统的性能是十分优良的,不但远强于俄罗斯的GLONASS系统,和欧洲的Galileo系统比毫不逊色。尽管还比不上美国未来几年将会全面部署的GPSIII系统,但是作为一个基础薄弱的国家,在卫星导航的高科技领域能有如此成果实属不易。现在的问题是,中国的航天业是否有能力按时执行计划,确保北斗卫星的质量、寿命和发射成功率。

北斗卫星导航定位系统(北斗二代)一旦建成,并稳定运行,将使解放军摆脱对GPS的依赖。届时,解放军肯定会大量装备采用卫星导航的精确制导武器,常规打击能力将提高数倍乃至数十倍。另外,在民用市场,GPS定位设备也必然面临北斗的巨大冲击。

冯家杰 本文来源:网易军事 作者:松鼠 责任编辑:王晓易_NE0011
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