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全球卫星导航定位系统发展到什么程度了?

发布日期:2016-06-09  来源:国家测绘地信局测绘发展研究中心  作者:熊伟 曹会超我要投稿我要评论

作者单位为国家测绘地理信息局测绘发展研究中心

一、全球导航卫星总体情况

卫星导航定位系统是国民经济信息化建设的重要组成部分和推进力量,直接关系到国家安全、经济发展。自20世纪70 年代全球定位系统(GPS)的出现,经过近40年的快速发展,卫星导航定位技术及其产品已在车辆导航、应急反应、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制、远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海平面升降监测、飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等诸多领域得到广泛应用,发挥了重要作用。

目前,国际上共有六大卫星导航定位系统,包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO、中国的“北斗”,以及印度区域导航卫星系统 (IRNSS)、日本准天顶(QZSS)卫星导航定位系统。其中,GPS、GLONASS、GALILEO和“北斗”是全球范围的卫星导航定位系统,IRNSS和QZSS是区域卫星导航定位系统。最近几年,世界各国纷纷加快了卫星导航定位系统的建设步伐,截至2016年4月1日,全球共有在轨运行导航卫星97颗(详情见表1)。

表1 全球导航卫星系统在轨运行情况

名称

目前在轨

卫星数量

系统投入

运行时间

美国GPS

32

1994

俄罗斯GLONASS

28

2009

欧盟GALILEO

12

计划2016年开始运营

中国北斗

18

2012年开始在亚太地区提供服务

印度IRNSS

6

计划2016年

日本QZSS

1

2020

合计

97

——

二、美国GPS系统发展历程及现状

1973年12月,美国国防部批准陆、海、空三军联合研制第二代卫星导航系统——全球定位系统(GPS)。自1978年首颗GPS卫星升空至今,GPS共发展了三代,第一代为试验卫星;第二代为工作卫星和现代化改进卫星;第三代即为正在发展的GPS Ⅲ系列卫星(见表2)。

表2 GPS卫星发展情况

名称

用途

类型

卫星数量

发射

时间

第一代GPS

试验卫星

Block

11

1978-

1984

第二代GPS

工作卫星

BlockⅡ、ⅡA

9、19

1989-

1993

现代化改进卫星

BlockⅡR、ⅡR-M、ⅡF

13、8、12

1997-

2016

第三代GPS

GPS

Block

32

2016年-

GPS是军民两用卫星,能在任何时间对地球任何位置进行精确定位。其中,GPS BlockⅡR 于1997年开始取代旧的BlockⅡ、ⅡA定位卫星,第一颗BLOCKⅡR-M两频道军用星于2004年发射,下一代第三频道BLOCKⅡF星于2006年发射(设计寿命延长,有更快的处理器和新的民用信号)。至2015年10月31日,美国空军完成了BLOCKⅡF星12颗发射任务中的第11颗卫星发射任务。同时,美国空军官员在BLOCKⅡF第11颗卫星发射前的一次会议上宣称,该系列的最后一颗卫星将在2016年上半年完成。

除此之外,早在2005年11月23日,美国国防科学委员会的特别任务组,就提出建设第三代GPS(GPS Ⅲ)的建议。2008年5月,美国著名的航空航天制造商洛克希德·马丁公司获得GPS ⅢA卫星合同,就此正式开启了第三代GPS之路。2012年11月,洛克希德·马丁公司完成GPSⅢ非飞行卫星测试平台导航有效载荷的热真空试验。2012年10月,洛克希德·马丁公司完成了整个GPS Ⅲ计划中前3颗卫星的研制,并为发射做好了全天24小时的彩排。根据相关计划,GPS Ⅲ的首颗卫星SV1原定2014年发射,但是截至目前仍未发射。预计将在完成现代化改进卫星BLOCKⅡF的最后一颗卫星发射任务之后,开启GPS Ⅲ的发射计划。据悉,GPSⅢ卫星包括GPSⅢA、GPSⅢB和GPSⅢC等三个型号;其定位精度将由现有的6米(20英尺)提升至0.63米;抗干扰能力提高近8倍;彻底实现民用频段和军用频段的分离等。

三、俄罗斯GLONASS系统发展历程及现状

早在20世纪60年代,前苏联军方迫切需要一个卫星无线电导航系统(SRNS)用于规划中的新一代弹道导弹的精确导引。而当时已有的Tsiklon卫星导航系统接收站需要好几分钟的观测才能确定一个位置,因此不能达到导航定位的目的。为此,1968-1969年,前苏联国防部、科学院和海军的一些研究所联合起来要为海、陆、空、天武装力量建立一个单一的解决方案。1970年这个系统的需求文件编制完成。进一步研究之后,前苏联在1976年颁布法令建立GLONASS系统(Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema)。

1976年,前苏联正式启动了格洛纳斯项目。1982年10月12日,前苏联成功发射第一颗GLONASS试验卫星,正式开启全球卫星导航定位系统建设之路。从1982年到1987年间,格洛纳斯系统共计成功发射了包括早期原型卫星在内的30颗卫星,实际平均寿命不过22个月,最终在轨可用卫星只有9颗。从1988年开始,前苏联进一步改进卫星版本(卫星重量1400千克,采用三轴稳定技术和精密铯原子钟,设计寿命提高到36个月),直到1993年9月24日该系统开始服役,再到1996年1月18日俄罗斯官方正式宣布完成由24颗GLONASS导航卫星构成的星座的组网工作。当时GLONASS没有加SA干扰,其民用精度优于加SA的GPS,不过,俄罗斯方面迟迟都没有开发民用市场,再加上经济形势变化带来的后续卫星补足的搁置,使得其应用普及情况远不及GPS。

之后在21世纪前几年,GLONASS在轨可用卫星越来越少,一度都不到10颗在工作,不能独立组网。随着2003年伊拉克战争爆发带来的冲击思考以及经济发展形势的逐渐好转,俄罗斯重启GLONASS星座组网进程。2009年1月底,GLONASS信号再次覆盖俄罗斯全境,在轨运行卫星数量达到18颗,全部都是第二代“格洛纳斯-M”卫星,正式开始为俄罗斯全境提供卫星导航定位服务。截至2012年2月1日,俄罗斯正式建成GLONASS系统,实现全球覆盖,共有31颗卫星在轨,24颗正常运行,3颗即将投入运行,2颗处于维护中,1颗正在试验,1颗备用。

目前,俄罗斯正在加快推进GLONASS的现代化进程,其中,2011年2月26日成功发射了首颗“格洛纳斯-K”全球导航系统卫星。其是俄罗斯生产的第三代全球导航系统卫星,比第二代“格洛纳斯-M”卫星服役期限更长,从原来的5至7年延长至10年至12年;重量更轻,从原先的1415公斤减轻至935公斤;星载原子钟精度将达到1E-14秒,为提高定位精度提供了潜力。同时,为了便于和GPS兼容,“格洛纳斯-K”卫星除了使用“格洛纳斯-M”上的L1和L2频段频分多址信号外,还增加了码分多址的L1、L2、L3信号。

此外,2012年,俄罗斯政府批准了《GLonASS 系统2012-2020 年维护、发展以及应用计划》,总投资高达3465 亿卢布(约合120亿美元),用于未来2012-2020 年GLONASS系统的维护、发展、应用。到2020 年将GLonASS 系统星座在轨运行卫星数量增加至30 颗,使导航定位精度从9英尺(约2.7米)提升至2英尺(约0.6米)。

四、欧洲Galileo 系统发展历程及现状

早在20世纪90年代后期,欧盟就着手制定伽利略卫星导航系统计划,计划到2008年建成由27颗工作星+3颗备份星组成的全球卫星导航定位系统。2002年,伽利略计划被欧盟正式批准为战略科研项目。但是随后由于技术、资金等多方面问题,导致该项目进展缓慢,按照目前的进度和最新计划,“伽利略”卫星导航系统预计到2020年左右建成,比最初预期的推迟近10年。

Galileo 系统是世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统,卫星设计寿命不少于12年。在实际建设进程方面,2005年12月28日,伽利略计划的首颗实验卫星“GIOVE—A”被顺利送入太空轨道,2008年4月27日伽利略第二颗实验卫星“GIOVE—B”发射升空。随后从2011年开始至今,陆续成功发射了12颗Galileo卫星(详情见表3)。根据欧空局官网信息,预计Galileo 系统将从2016年开始陆续提供公开服务(免费)、公共特许服务、搜索与救援服务等三种服务,等到2020 年系统完全建成后,还将提供高精度的授权商业服务和生命安全服务等服务。

表3 欧洲Galileo卫星发射进程情况

事项

发射时间

备注

首批两颗工作卫星

2011年10月20日

分别以一个比利时儿童和一个保加利亚儿童的名字命名

第二批两颗工作卫星

2012年10月12日

构成一个四星小星座,进入系统验证和微调阶段。

首批两颗全运行能力(FOC)卫星

2014年8月22日

两颗卫星开始未能进入预定轨道,经远程操作,恢复正常

Galileo 第7和第8星

2015年3月28日

 

第9和10星

2015年9月11日

意味着Galileo系统建设已经完成三分之一的任务。

第11和第12星

2015年12月17日

 

 

五、中国“北斗”卫星导航系统

“北斗”卫星导航定位系统是中国自主建设、独立运行,并与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航定位系统。2007 年发射第1颗中圆地球轨道卫星(COMPASS-M1),到2012年系统实现了由14 颗卫星构成的区域导航系统。截至2016年4月1日,已经成功发射22颗北斗导航卫星,18颗在轨正常运行。

预计到2020年,将全面建成“北斗”卫星导航全球系统,形成全球覆盖能力。建成后将为全球用户提供卫星定位、导航和授时服务,并为我国及周边地区用户提供定位精度1m 的广域差分服务和120个汉字/次的短报文通信服务。

六、印度区域卫星导航系统(IRNSS)

根据印度空间研究组织网2006年7月6日报道,印度空间研究组织(ISRO)2006年7月4日宣布,印度将筹划研发本国卫星导航系统——印度区域导航卫星系统(IRNSS)。印度区域卫星导航系统(IRNSS)由3 颗GEO卫星(分别定位于东经34°、83°和132°) 和4颗倾角为29°(近地点250km,远地点24000km)的IGSO卫星组成, 卫星的设计寿命将不少于7年,覆盖范围为东经40~140°和纬度±40°之间大约1500公里内的区域,包括南亚次大陆及周边地区,提供的标准服务定位精度优于10m(境外2000公里范围20m)。

从2013年7月2日开始至2016年4月1日,印度已先后成功发射6颗IRNSS卫星(见表4),最后1颗IRNSS卫星也将在今年内发射,预计2016年全面完成IRNSS星座组网计划,并开始提供卫星导航定位服务。

表4 印度IRNSS建设情况

事项

发射时间

第1颗星IRNSS-1A

2013年7月2

第2颗星IRNSS-1B

2014年4月4

3颗星IRNSS-1C

2014年10月16日

4颗星IRNSS-1D

2015年3月28日

5颗星IRNSS-1E

2016年1月20日

6颗星IRNSS-1F

2016年3月10日

七、日本“准天顶”( Quasi-Zenith) 卫星导航系统

2000年6月,日本宇宙开发委员会提交了一份题为《改进日本航天开发体制,扩展航天利用新领域》的报告,决定执行空间基础设施(I—SPACE)计划。“准天顶”卫星导航系统正是“I—SPACE”计划要重点开发的三个系统之一,其是一个兼具导航定位、移动通信和广播功能的卫星系统,旨在为在日本上空运行的美国GPS卫星提供“辅助增强”功能,提高导航定位信号接收的质量和精度,使民用信号的精度从十米级别提升至一米以内。

根据早些时候的系统建设计划,该系统由3颗“准天顶”卫星和1颗静止卫星组成。2008年11月,日本官房长官河村建夫在东京召开的“2008年GPS/GNSS国际会议”上曾表示,“卫星定位系统作为国家的基础设施,已经受到日本政府的高度重视。如果把日本现在开发中的‘准天顶’卫星导航系统的卫星数量从3颗追加到6颗,再加上1颗静止卫星就能构成日本自主的区域卫星导航系统”。

2010年9月11日,日本在种子岛宇宙中心使用H-2A火箭发射了首颗本国自主研发的“准天顶”定位卫星“引路号”,设计寿命为10年。截至到2016年4月1日,日本还只是发射了一颗“准天顶”卫星,根据日本政府先前的计划,预计到2020年将建成由6颗“准天顶”卫星和1颗静止卫星组成的区域导航定位系统。

来源:国家测绘地信局测绘发展研究中心  熊伟 曹会超
 
本文链接:https://www.81uav.cn/uav-news/201606/09/15693.html
标签:  全球卫星导航定位系统 卫星导航系统
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