北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是如何定位

1、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是如何定位的？從來沒有那個事物像 GPS 那樣改變了人類的生活，你能想象沒有 GPS 的生活情境嗎？打開 GPS，地球上空的衛(wèi)星在幾分鐘之內(nèi)就會鎖定你的位置，它還會告訴你行進(jìn)的速度、所處位置的海拔高度一切的一切，在習(xí)以為常之后，你是否覺得都這些是理所當(dāng)然？全球定位系統(tǒng)（GPS），最早由美國政府與 70 年代建設(shè)，前身是一套專為美軍研制的定位系統(tǒng)，出于軍用考量，為防止敵方通過定位信號截獲美軍的位置，定位系統(tǒng)被設(shè)定為單向傳輸，即 GPS 終端只接受衛(wèi)星信號而不向外發(fā)射信號，這一特性也為 GPS 的民用領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。目前，世界上可以提供精確定位的全球定位系統(tǒng)共有四種：美國的 GPS 定

2、位系統(tǒng)、俄羅斯的格洛納斯（Glonass）定位系統(tǒng)、中國的北斗定位系統(tǒng)、歐盟的伽利略定位系統(tǒng)。目前美國的 GPS 定位系統(tǒng)最為成熟，覆蓋面也最廣。以美國 GPS 系統(tǒng)為例，主要由三部分組成：空間星座，包括 21 顆工作衛(wèi)星和 3 顆備用衛(wèi)星；地面監(jiān)控系統(tǒng)，包括 1 個主控站、3 個注入站和 5 個監(jiān)控站組成；用戶設(shè)備，即 GPS 接收機，主要作用是從 GPS 衛(wèi)星收到信號并利用傳來的信息計算用戶的三維位置及時間。24 顆衛(wèi)星均勻分布在 6 個軌道平面上，即每個平面上 4 顆衛(wèi)星。各個軌道面都被設(shè)定為特定的角度。這種布局的目的是保證在全球任何地點、任何時刻，每個接收機至少可以接收到 4 顆衛(wèi)星的

3、信號。沒顆衛(wèi)星每時每刻都在向全球播報自己的位置信號。既然 GPS 接收端不向衛(wèi)星發(fā)送任何信息，只是被動的接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，而衛(wèi)星只是在播報自己的位置，那么 GPS 系統(tǒng)是如何通過這些數(shù)據(jù)來確定用戶的位置的？在這里，就不得不提定位系統(tǒng)中的重中之重原子鐘與 GPS 芯片。如果 GPS 芯片的作用可以理解的話，但原子鐘有什么用？計時工具怎么會和定位有關(guān)聯(lián)？回到定位原理的話題上來，衛(wèi)星廣播自己位置信息時，會附上信息發(fā)出的時間，GPS 終端接收到信息后，用當(dāng)前時間減去發(fā)送時間，乘以傳播速度（光速），即得出終端與衛(wèi)星的距離。讀懂衛(wèi)星發(fā)來的信息并進(jìn)行相關(guān)運算，這些即是 GPS 芯片的核心功能。而為了能精確的測定

4、接收終端與衛(wèi)星的距離，在光速確定的情況下，時間必須精準(zhǔn)，原子鐘就是為了保證時間的精度。因為時間上再微小的誤差，在乘以光速之后都會謬以千里。但為什么是 4 顆？根據(jù)立體幾何知識，三維空間中，三個坐標(biāo)就可以確定一個點的位置。這樣的話，只需要 3 顆衛(wèi)星就足夠了，多出一顆是做什么的呢？但事實上，要想進(jìn)行定位，必須要四顆。三顆衛(wèi)星定位只是理想的狀態(tài)下，光速的數(shù)字實在太大，對時間精度有極高的要求，同時，光速在大氣中也會受到一定的影響而產(chǎn)生誤差，衛(wèi)星廣播自己的位置也會有誤差，這些誤差的存在，使得 3 顆衛(wèi)星不足以保證定位的精度。根據(jù)愛因斯坦相對論，快速移動物體隨時間的流逝比靜止的要慢，衛(wèi)星上的時鐘就和地球

5、的時鐘不同步，這樣每天 GPS 衛(wèi)星都會產(chǎn)生 38 微秒的偏差，即每天將會增大 11 千米的誤差，這種誤差也必須進(jìn)行補償。所以，要進(jìn)行的有效的定位，必須引入第四顆衛(wèi)星來提高定位精度。而在日常生活中，實際應(yīng)用上的定位衛(wèi)星數(shù)量往往大于這個數(shù)量，理論上 GPS 接收機搜到的衛(wèi)星數(shù)量越多則定位越精準(zhǔn)。以上是最常用的美國 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)定位原理，我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與之相比，其原理略有不同，在相關(guān)功能上有所創(chuàng)新，從應(yīng)用的角度來說，相比 GPS，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)有著不少獨特的優(yōu)勢。與美國 GPS 系統(tǒng)類似，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段、用戶段三部分組成。空間段，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)計劃由 35 顆衛(wèi)星組成，包括 5

6、顆靜止軌道衛(wèi)星、27 顆中地球軌道衛(wèi)星、3 顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。地面段由主控站、注入站、監(jiān)測站組成。主控站用于系統(tǒng)運行管理與控制，注入站用于向衛(wèi)星發(fā)送信號，對衛(wèi)星進(jìn)行控制管理，用戶段即用戶的終端，接收機需要捕獲并跟蹤衛(wèi)星的信號，根據(jù)數(shù)據(jù)按一定的方式進(jìn)行定位計算。第一代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的定位原理屬于有源定位，需要用戶終端主動發(fā)送信號，可靠性較差，最新的第二代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已采用了類似 GPS 的無源定位技術(shù)。即用戶至少接收 4 顆衛(wèi)星信號來定位。由于衛(wèi)星數(shù)量多余美國 GPS 定位系統(tǒng)，因此北斗定位系統(tǒng)的定位信號更強，精度也更高。而且北斗定位系統(tǒng)擁有獨一無二的短報文傳訊功能，可用于軍事、救援、科研等許多方面?？赏瑫r解決“我在哪？”和“你在哪？”近日，國航天科工信息技術(shù)研究院西安