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卫星导航系统让生活更智能


■谢瑞鹍 王 斌

全球卫星导航系统多行业多领域服务示意图

日前,伴随北斗三号系统倒数第二颗卫星成功发射升空,我国距北斗三号系统建成仅一步之遥,预计年内北斗全球星座组网将全面完成,为全球用户提供定位、导航、授时和短报文通信服务,并与其他卫星导航系统互补,进一步改善人们的生产生活方式。

主要家族

当前,太空中的导航卫星有上百颗,主要属于美、俄、中国、欧盟等国家和地区。根据全球卫星导航系统国际委员会资料显示,全球共有4大卫星导航系统,分别是美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯系统、欧盟伽利略系统和中国北斗卫星导航系统。各导航系统在星座构造、定位精度和服务项目等方面各有所长。

全球定位系统:1978年发射第一颗卫星,目前已增至31颗,呈满星运作状态,其信号覆盖全球98%的地区,是首个建成并使用的全球导航定位系统。民用定位精度在10米左右,军用或商用定位精度更高。

格洛纳斯系统:苏联时期开始建造,2011年底31颗卫星完成组网,同年实现信号全球覆盖,民用定位精度在5米左右。

伽利略系统:由欧洲航天局和欧洲导航卫星系统管理局负责建造,即将建成。星座布局与前两种导航系统类似,采用中高轨卫星组网,是世界上第一座完全向民用开放的卫星定位系统,既能为民众提供高精度导航定位服务,又能为军方提供高度安全的加密信息服务,民用版精度为1米,商用加密版精度达厘米级。

北斗系统:由中国航天科技集团研发,计划于2020年底前完成全球组网。该系统包含24颗中圆轨道卫星组成的核心星座,以及3颗地球静止轨道卫星和3颗倾斜地球同步轨道卫星,民用精度为5米,商用服务精度达厘米级,并能收发短报文信息,用于公共安全、交通、渔业、电力、林业、减灾等领域。

技术特点多

使用全域全时。一般来说,在轨卫星数量越多,用户所获导航和授时信号愈佳。相关数据显示,4大卫星导航系统满星运作后,均能实现信号全球覆盖,其信号以光速传播,克服电离层和对流层带来的传输误差,穿过大气层被地面用户接收。其组网卫星对地面用户测距定位误差小,确保用户在不同地域条件下获得精准定位导航服务。

定位精密精准。统一精准授时是影响导航系统定位精度的关键因素。卫星上的原子钟能够为导航提供高精度时间参数值,使终端系统能够解算特定时刻的卫星位置和终端地理位置。据相关监测评估系统测算,各卫星导航系统能够为全球用户提供精度1米至5米的定位导航服务,在商用加密服务中,部分系统的定位精度可达厘米甚至毫米级。

前沿技术集成。导航系统集成材料、电子、动力、能源等技术,同时融合纳米、AI、5G和大数据等技术,实现前沿技术集大成。例如在导航系统内部,纳米工艺使导航定位芯片体积更小、功耗更低且精度更高。在导航系统外围,5G技术的加入,升级导航系统通信功能,不仅拓展信息中继传输方式,还推动天基卫星星座与地基移动通信网络融为一体,提高移动通信质效。

领域竞争激烈。根据国际规则,未在国际电信联盟登记,或7年内未使用导航卫星频率的卫星,将无法使用此段频谱资源,对应系统也无法进入国际电信联盟的频率总表并获得合法地位。基于有限的卫星空间轨道位置和无线电频谱资源竞争,各国均投入巨资,确保其导航系统顺利运行。另外,伴随高精度定位技术应用范围越来越广,各导航系统的市场规模将空前增大,其在用户资源等方面的竞争将进一步加剧。

服务领域广

随着导航系统在各行业的渗透运用进一步加大,其在大众定位、公共安全、抢险救灾、城市交通、通信和电力等领域发挥重要作用。

用户服务领域。通过在智能手机、可穿戴产品、无人驾驶交通工具中嵌入导航模块,人们能够随时随地获取地理位置信息。另外,导航系统与互联网、人工智能、5G、大数据等技术的交叉融合,推动各类终端设备实现功能升级,用户体验也随之提升。例如可享受高精度定位带来的共享单车、网约打车、网上购物等智能交通和物流服务,未来还将出现自动辅助驾驶,AR虚拟旅游等。

城市服务领域。在全球卫星导航系统支持下,城市公共服务保障能力得到进一步提升。例如,利用导航终端可精确掌握车辆运行状况,监测司机疲劳驾驶。组合运用航空航天遥感影像服务和全球定位服务,可为城市环保、应急救援等提供数据支撑和技术支持。

地域服务领域。融合运用全球导航系统与遥感、通信、测绘等不同类型卫星系统,并结合大数据技术,挖掘利用地理水文气象、农林矿产、交通、通信等信息资源,为区域经济一体化发展提供辅助决策,促进地域经济发展繁荣。

军事服务领域。现代战争高度依赖态势感知,通过在武器装备等作战实体中嵌入导航芯片,作战部队能够实时掌握己方在作战空间内的分布情况和活动信息。未来导航系统不仅能为陆、海、空、天等多域部队提供实时精准、自主共享的定位导航服务,还将与作战云平台、移动数据通信等技术高度融合,更好地服务于情报研判、指挥控制、作战实施、综合保障等军事活动,提高军队作战能力。

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