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天上的卫星是如何定位的?

发布时间:2021-12-29作者来源:金航标浏览:244

前言


据央视新闻消息,近日我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭,成功发射北斗系统第54颗导航卫星。卫星顺利进入预定轨道,后续将进行变轨、在轨测试、试验评估,适时入网提供服务。今年6月份,将按计划发射最后一颗地球静止轨道卫星。届时,北斗三号全球星座部署将全面完成。这意味着距北斗全球组网 “大棋局”的部署完成仅“一步之遥”。北斗人在自主创新、团结协作的努力下创造了“中国速度”。



目前,我们已很难想象没有卫星定位的生活,无论是早上开车出门的定位导航,还是开车途中实时接收到的路况信息,甚至是危险发生时快速锁定救援位置……都需要卫星定位系统实时的帮我们确定位置,测定行进速度,锁定经纬度海拔等。那么,千里之外的卫星是怎么做到定位如此精准?正好上次讲过网络RTK技术后,后台也有很多小伙伴留言,想了解一下卫星定位的原理……




1.GNSS是什么

GNSS即全球导航卫星系统(global navigation satellite system),它包括全球性的美国的GPS、中国的北斗、俄罗斯的GLONASS以及欧盟的Galileo。此外还有区域性导航系统,如日本的准天顶(QZSS),印度的IRNSS。增强系统有美国的WAAS,日本的MSAS、欧盟的EGNOS、印度的GAGAN以及尼日尼亚的NIG-GOMSAT-1等。

通常卫星导航系统的组成包括三个部分:空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。

空间星座部分指的就是那些卫星,四大导航系统的卫星占据着不同的轨道,卫星的数量、组成、通信等原理也不尽相同。

地面监控中心接收、测量将卫星信号,确定卫星的轨道信息并将其发射给卫星,并对卫星进行监测。

用户设备即接收机,可以是专业的多频多系统接收机,也可以是我们手机中的卫星信号接收模块,通过信号解算出的卫星轨道信息等来确定用户的位置。


2.认识四大卫星系统

我们这里主要探讨四大全球导航系统,即美国的GPS、中国的北斗、俄罗斯的GLONASS以及欧盟的Galileo:


GPS(Global Position System)


GPS是美国从20世纪70年代开始研制,历时20年,耗资200亿美元,于1994年全面建成,具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位功能的新一代卫星导航与定位系统。GPS的空间星座由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成。

在这里多说一句,其实在中国的北斗卫星系统诞生以前,GPS几乎可以说是卫星定位系统的代名词,而GPS真正的“声名鹊起”则是上世纪90年代的海湾战争期间,因为在海湾战争中多国部队对伊拉克各个地区进行了高密度的空袭,而恰恰是GPS为多国的攻击部队提供了极为精确的导航,尤其是为美军“战斧”巡航导弹的精确打击立下了汗马功劳,让这一型导弹名声大噪;GPS也提高了美军如F-117隐身战斗机、F-16战斗机的攻击精度,为美军地面行动清除了不少障碍。




GLONASS


GLONASS(格洛纳斯系统)最早研发于上世纪70年代的苏联时期,在美苏争霸时期的格洛纳斯其实是跟美国的GPS有着相同的诉求,但由于各种因素,还是与GPS有着一定的差距(如仪器精度,电子原件水平),使得GLONASS系统的效果并不是很理想。自1982年至1987年,共发射了27颗GLONASS试验卫星,同时由于当时卫星的寿命都比较短,需要不断地补发卫星才能维持系统的正常运行,而苏联的解体使得GLONASS长期处于降效运行。直到1993年,俄罗斯政府也意识到了其重要性,投入大量的人力和资金使得GLONASS得以重新发展,于1996年初投入运行使用。空间星座由均匀分布在3个MEO轨道面的24颗卫星组成,轨道高度为19100km,在高纬度地区的覆盖度比GPS要好。于2007年开始运营。当时只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务,到2009年,其服务范围已经拓展到全球,该系统主要服务内容包括确定陆地、海上及空中目标的坐标及运动速度信息等。


GALILEO


而GALILEO(伽利略)则是由欧盟研制和建立的全球卫星导航定位系统,该系统由轨道高度为23616km的30颗卫星组成,其中27颗工作星,3颗备份星。卫星轨道高度约2.4万公里,位于3个倾角为56度的轨道平面内。

伽利略系统也是欧洲不甘于完全依赖美国的产物,但可能由于参与者太多,该计划依然进展缓慢。在这里还有一段故事与我们国家有关,早在2002年,欧洲多国决定联合自主推出伽利略卫星定位系统,当时的中国在导航领域还处于一并空白,也共同参与研发伽利略卫星导航系统,然而在几年之后,在中国已经投入20亿元经费的情况下,却被从伽利略项目中踢了出来,除了与美国的阻扰有关,其实,欧洲某些国家也不希望中国借此机会获取导航领域核心技术。不过我国现在拥有了自己的“北斗”之后,反倒是伽利略系统出现了问题,就在去年7月,伽利略系统出现了全球瘫痪,据悉是因为欧洲航天局缺乏组织能力,相关科研人员不肯加班,才导致如此严重的后果,想起来真是有些荒诞了。


北斗


北斗是中国自行研制的全球卫星导航系统,由空间段、地面段和用户段三部分组成,可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务,并具短报文通信能力,已经初步具备区域导航、定位和授时能力,定位精度10米,测速精度0.2米/秒,授时精度10纳秒。北斗三号空间段计划由35颗卫星组成,包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。35颗卫星在离地面2万多千米的高空上,以固定的周期环绕地球运行,使得在任意时刻,在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。




综上所述,在定位精度上,全球四大卫星导航系统均有实现民用10米精度的能力。他们各有优势,美国的GPS和俄罗斯的GLONASS应用范围和领域非常广,也是目前商用普及率最高的两大定位系统,这与它们的提前布局、重视程度、巨额投入等密不可分。中国的北斗卫星导航系统仅差一颗卫星就完成全部组网,在普及的道路上,未来仍有很大的上升空间。




值得一提的是,四大卫星系统中只有北斗可以发短报文,他的用处就是在没有手机信号的时候,短报文发送可以带位置信息,可以SOS呼救,收到信息的人可以直接定位呼救者。



图为:谷歌地图上看到的所有卫星分布


3 卫星定位基本原理浅析


卫星定位系统主要由三部分组成:空间部分、控制部分、用户设备部分。

空间部分,包括工作卫星和备用卫星。这些卫星在空中连续发送带有时间和位置信息的无线电信号,供卫星接收机接收。

控制部分,包括主控站、注入站和监控站。监测站连续接收卫星信号,不断积累数据;主控站根据监控站发来的数据进行系统运行管理与控制,编写导航电文;注入站卫星发送导航电文,对卫星进行控制管理。

用户部分,即卫星接收机。包括兼容卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品,以及终端设备、应用系统与应用服务等


一次完整的定位工作,需要这三部分共同协作完成。下面我们再说说具体如何实现:


定位,其实就是利用至少4颗卫星去解决位置,时间,速度这三个参数,其中最常用的是位置。 其实这个原理可以复杂也可以简单。简单的来说就是用三边测量(trilateration):在二维平面,一个固定点用已知的半径长确定一个圆,两个固定点用已知的半径确定两个点,用户就在其中一个点上。


这个原理映射到三维,两个球相交确定一个圆,三个球相交确定两个点。用户必然处在两个点其中一个上,远离地球的点舍弃,另一个点就是你的位置了。



但是实际上真正应用比这个复杂,首先就要想,原理上三颗卫星可以解决的问题为什么一定要4颗。这是因为实际上参与导航位置计算的过程中,还有个时间变量参数,因为卫星导航的距离测量实际上是以时间度量来实现的,当每秒钟时间误差为百万分之一时,所带来的位置误差会达到300m以上,而人们所用的卫星导航接收机的时钟是用石英晶体振荡器来实现的,必须用卫星的原子时钟作为同步标准才能确保定位精度,故需要第四颗星来参与定位,实际上这第四颗卫星是作为时间参考标准加以应用。



4厘米级高精度定位如何实现

前面我们提到,只要接受到来自4颗卫星的位置信息,就能精准确定地面上任何物体的坐标了。实际上这只是定位原理中的其中一种,通常称为单点定位,或绝对定位。




但实际上,卫星工作过程中会受到多因素的干扰,比如卫星信号穿过地球对流层、电离层时会发生折射和延迟,射到建筑上时又会发生反射,这一系列的影响都会导致信号传播时间计算有误,继而带来距离计算产生几十米甚至超百米的误差。



这时候,我们就需要用到精度更高的差分定位,也就是相对定位。建设地基增强站正是消除卫星定位误差,将定位精度提高至米级甚至厘米级的有效手段。首先,我们需要在地面建立精确坐标(X、Y、Z)已知的地基增强站,然后由导航卫星对基站进行实时的定位,得到基站实时的位置坐标,因受前面提到的对流层、电离层、多路径效应等多因素干扰,两者之间必然存在综合定位误差,通过计算两者之间的差值,就能把定位误差值锁定。


一般以基站为中心的20至40公里半径范围内,对流层、电离层运动等对卫星定位影响基本一致,所以只要基站把我们计算出来的综合定位误差实时播发给该范围内终端,它们就可以在卫星定位时,把定位误差一并计算进去,从而实现亚米级甚至厘米级的高精度定位。我们之前介绍过的网络RTK,就是目前业内用于计算这个误差的主流方法之一。


结语:

我们在为北斗卫星创下“中国速度”的成就而自豪的同时,四维图新旗下专业的高精度定位服务公司六分科技,也会按计划完成了全国范围内基准站的布设,这也就意味着可以在全国范围内提供差分定位的服务,从而达到不同应用端的实时、精准定位。除实时接收北斗卫星信号之外,六分科技高精度定位完美兼容四大全球导航卫星系统,不仅仅只是全星系接收,还做到了真正的有效数据全面利用的地步,实现更可靠、更稳定的定位效果。

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