北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用

1在定位性能上有創(chuàng)新中國自行開發(fā)的北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不僅能夠隨時(shí)確定用戶的地理距離和海拔高度，還能夠提高定位性能。北斗系統(tǒng)與其他系統(tǒng)最大的不同,在于它不僅能使用戶知道自己的所在位置,還可以告訴別人自己的位置,特別適用于需要導(dǎo)航與移動(dòng)數(shù)據(jù)通信場所。北斗系統(tǒng)的成功運(yùn)行及相關(guān)通信部件的小型化,使其在自持式剖面循環(huán)探測漂流浮標(biāo)(以下簡稱剖面漂流浮標(biāo))的應(yīng)用成為可能,也使實(shí)現(xiàn)剖面漂流浮標(biāo)衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸國產(chǎn)化成為可能。2“北平”衛(wèi)星探測系統(tǒng)我國早在20世紀(jì)60年代末就開展了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研制工作,但由于多種原因而天折。70年代后期開始,國內(nèi)開展了探討適合國情的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的體制研究,但是由于種種原因,沒能夠得到實(shí)現(xiàn)。我國的“北斗一號(hào)”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正是80年代提出的“雙星快速定位系統(tǒng)”發(fā)展計(jì)劃。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的方案于1983年提出,突出持點(diǎn)是構(gòu)成系統(tǒng)的空間衛(wèi)星數(shù)目少、用戶終端設(shè)備簡單、一切復(fù)雜性均集中于地面中心處理站?！氨倍芬惶?hào)”衛(wèi)星定位系統(tǒng)是利用地球同步衛(wèi)星為用戶提供快速定位、簡短數(shù)字報(bào)文通信和授時(shí)服務(wù)的一種全天候、區(qū)域性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要功能是定時(shí)、雙向短報(bào)文通信、授時(shí)等。2003年5月25日,第三顆“北斗一號(hào)”導(dǎo)航定位衛(wèi)星發(fā)射成功。前兩顆分別于2000年10月31日和12月21日發(fā)射升空,這兩顆衛(wèi)星構(gòu)成了獨(dú)特的“雙星有源定位”系統(tǒng)。第三顆“北斗一號(hào)”是導(dǎo)航定位系統(tǒng)的備份星。它與前兩顆“北斗一號(hào)”工作星組成了中國完整的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。正如“北斗星通”衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)公司總裁周儒欣指出,中國的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用近年來發(fā)展迅速,但是絕大多數(shù)應(yīng)用都是建立在美國的GPS之上。如果一旦發(fā)生戰(zhàn)爭,美國關(guān)閉應(yīng)用,后果不堪設(shè)想。作為中國這樣的大國,必須有自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。這就是建立“北斗”系統(tǒng)的意義。我國于2000年10月31、12月21日和2003年5月25日分別發(fā)射的三顆“北斗”衛(wèi)星,組成了完整的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),確保全天候、全天時(shí)提供衛(wèi)星導(dǎo)航信息。這標(biāo)志著我國成為繼美國全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)和前蘇聯(lián)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)后,在世界上第三個(gè)建立了完善的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家,北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行至今工作穩(wěn)定、狀態(tài)良好,已在測繪、電信、水利、交通運(yùn)輸、勘探和國家安全等諸多領(lǐng)域逐步發(fā)揮重要作用。2007年2月3日第四顆“北斗”衛(wèi)星的成功發(fā)射,標(biāo)志著中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)又向前大大推進(jìn)了一步,形成美、俄、歐、中在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)上的“四強(qiáng)爭霸”格局。如圖1所示,“北斗一號(hào)”衛(wèi)星定位系統(tǒng)由兩顆地球靜止衛(wèi)星(800E和1400E)和兩顆在軌備份衛(wèi)星、中心控制系統(tǒng)、標(biāo)校系統(tǒng)和各類用戶機(jī)等部分組成。系統(tǒng)的工作過程是:首先由中心控制系統(tǒng)向衛(wèi)星I和衛(wèi)星II同時(shí)發(fā)送詢問信號(hào),經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器向服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶廣播。用戶響應(yīng)其中一顆衛(wèi)星的詢問信號(hào),并同時(shí)向兩顆衛(wèi)星發(fā)送響應(yīng)信號(hào),經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心控制系統(tǒng)。中心控制系統(tǒng)接收并解調(diào)用戶發(fā)來的信號(hào),然后根據(jù)用的申請(qǐng)服務(wù)內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。3“北平”系統(tǒng)水質(zhì)特點(diǎn)(1)覆蓋范圍:北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是覆蓋我國本土的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)。覆蓋范圍東經(jīng)約70°~140°,北緯5°~55°。(2)衛(wèi)星數(shù)量和軌道特性:北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是在地球赤道平面上設(shè)置2顆地球同步衛(wèi)星,衛(wèi)星的赤道角距約60°。(3)定位原理:北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是主動(dòng)式雙向測距二維導(dǎo)航。地面中心控制系統(tǒng)解算,提供用戶三維定位數(shù)據(jù)。(4)定位精度:北斗導(dǎo)航系統(tǒng)三維定位精度約幾十米,授時(shí)精度約100ns。(5)用戶容量:北斗導(dǎo)航系統(tǒng)由于是主動(dòng)雙向測距的詢問--應(yīng)答系統(tǒng),用戶設(shè)備與地球同步衛(wèi)星之間不僅要接收地面中心控制系統(tǒng)的詢問信號(hào),還要求用戶設(shè)備向同步衛(wèi)星發(fā)射應(yīng)答信號(hào),這樣,系統(tǒng)的用戶容量取決于用戶允許的信道阻塞率、詢問信號(hào)速率和用戶的響應(yīng)頻率。因此,北斗系統(tǒng)的用戶設(shè)備容量是有限的。(6)實(shí)時(shí)性:“北斗一號(hào)”用戶的定位申請(qǐng)要送回中心控制系統(tǒng),中心控制系統(tǒng)解算出用戶的三維位置數(shù)據(jù)之后再發(fā)回用戶,其間要經(jīng)過地球靜止衛(wèi)星走一個(gè)來回,再加上衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā),中心控制系統(tǒng)的處理,時(shí)間延遲就更長了,因此對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)體,就加大了定位的誤差。(7)具備短信通訊功能。該功能是常用GPS所不具備的,而且在2008年汶川大地震中發(fā)揮了突出的作用。綜上所述,北斗導(dǎo)航系統(tǒng)具有衛(wèi)星數(shù)量少、投資小、用戶設(shè)備簡單價(jià)廉、能實(shí)現(xiàn)一定區(qū)域的導(dǎo)航定位、通訊等多種用途,可滿足當(dāng)前我國陸、海、空運(yùn)輸導(dǎo)航定位的需求。而且最重要的是,“北斗一號(hào)”導(dǎo)航系統(tǒng)是我國獨(dú)立自主建立的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),它的研制成功標(biāo)志著我國打破了美、俄在此領(lǐng)域的壟斷地位,解決了中國自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的有無問題。它是一個(gè)成功的、實(shí)用的、投資很少的初步起步系統(tǒng)。4北系統(tǒng)在400m范圍內(nèi)的漂浮浮標(biāo)應(yīng)用4.14剖面流變學(xué)模型在國家863計(jì)劃資助下,通過多年努力,我國基本掌握了剖面漂流浮標(biāo)的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),并著手開展采用北斗系統(tǒng)定位和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ魃疃葹?00m的剖面漂流浮標(biāo)技術(shù)研究。400m剖面漂流浮標(biāo)主要由耐壓密封殼體、柱塞泵、可變體積皮囊、測量傳感器、北斗衛(wèi)星通信單元、控制采集電路、電源等組成。400m剖面漂流浮標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。4.2冷卻系統(tǒng)的通信模塊隨著“北斗一號(hào)”的建立和逐步完善及業(yè)務(wù)化運(yùn)行,國內(nèi)已經(jīng)有多家廠商研制成功適合不同載體的船載、車載、手持等種類繁多的北斗通信模塊。通過對(duì)國內(nèi)多個(gè)北斗模塊生產(chǎn)廠家的調(diào)研,選用了一種體積、重量和功耗等均能滿足剖面漂流浮標(biāo)使用的一種通信模塊,如圖3所示。該模塊的主要技術(shù)參數(shù):接收頻率:2491.75MHz±4.08MHz(擴(kuò)頻頻譜零點(diǎn)帶寬)首次捕獲時(shí)間:≤2s(從開機(jī)到2通道接收并解調(diào)出信息所需時(shí)間)信號(hào)誤碼率:≤1×10-5發(fā)射頻率:1615.68MHz±4.08MHz(擴(kuò)頻頻譜零點(diǎn)帶寬)整機(jī)重量:≤1.0kg外接直流電源電壓:13.5~15V(4Amax)4.3天線公共通信的研制根據(jù)400m剖面漂流浮標(biāo)的特點(diǎn),浮標(biāo)在海表面露出海水的體積受到限制,所以其衛(wèi)星通信天線一般均為耐壓密封的桿狀天線,而且要求其長度在滿足通信效果的前提下,直徑盡可能小。因?yàn)椤氨倍贰毕到y(tǒng)是同步衛(wèi)星,落地信號(hào)功率很小,通信效果較好的碟型天線,不能安裝于剖面漂流浮標(biāo)。另外北斗通信模塊現(xiàn)有桿狀天線(總長165.10mm,安裝直徑25.40mm)長度較小,且不能承受壓力,也不能直接安裝于剖面漂流浮標(biāo)。通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn),進(jìn)行了北斗天線的專門研制。在現(xiàn)有桿狀天線外部加裝非金屬耐壓密封殼體,在保證天線通信性能的條件下,解決天線耐壓密封問題。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)有天線長度較短的現(xiàn)狀,在浮標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及浮力配置等方面采取了適當(dāng)措施,進(jìn)一步抬高了天線收發(fā)部分的有效高度,確?？煽客ㄐ?。目前研制的通信天線耐壓密封已達(dá)到5MPa,能夠滿足浮標(biāo)的工作深度要求,而且在實(shí)驗(yàn)室及湖上和海上通信試驗(yàn)中,一直具有較好的通信效果。研制的專用北斗天線照片如圖4所示。4.44實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析為了驗(yàn)證升沉功能和北斗通信功能,2007年9月19日在河北潘家口水庫進(jìn)行了剖面漂流浮標(biāo)的湖上試驗(yàn)。湖上試驗(yàn)照片如圖5所示。圖中(1)(2)(3)(4)分別為剖面漂流浮標(biāo)水面定位和數(shù)據(jù)通信、逐漸下潛、完全浸沒和重新上浮到水面進(jìn)行定位和剖面數(shù)據(jù)通信的照片。實(shí)驗(yàn)過程中,剖面漂流浮標(biāo)實(shí)現(xiàn)了正常的升沉功能,北斗通信工作正常。通過對(duì)接收到的剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析,發(fā)現(xiàn)剖面漂流浮標(biāo)升沉控制、數(shù)據(jù)采集存貯和北斗通信等功能均與預(yù)定程序完全吻合。通過本次湖上試驗(yàn),驗(yàn)證了400m剖面漂流浮標(biāo)的升沉功能和北斗通信功能,基本證實(shí)了北斗系統(tǒng)在剖面漂流浮標(biāo)應(yīng)用的可行性,也為后期的海上布放試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。4.54浮標(biāo)數(shù)據(jù)的接收及測量分析經(jīng)過嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室測試及湖上測試后,2008年09月02日進(jìn)行了浮標(biāo)的海上布放,浮標(biāo)共計(jì)完成了28個(gè)剖面測量,最大下潛深度為406m,與預(yù)定深度(400m)基本吻合。其各個(gè)剖面的最大深度如圖6所示。通過統(tǒng)計(jì),在完成了28個(gè)剖面測量工作中,收到完整數(shù)據(jù)的比率為64.23%,有效數(shù)據(jù)接收率達(dá)到80%的比率為71.43%,達(dá)到60%的為92.86%。通過400m浮標(biāo)的海上布放及測量數(shù)據(jù)分析,可得到以下結(jié)論:·驗(yàn)證了400m浮標(biāo)自動(dòng)沉浮、數(shù)據(jù)采集、存貯和傳輸功能;·工作深度與預(yù)定深度基本吻合,驗(yàn)證了浮標(biāo)重量調(diào)整方法;·成功進(jìn)行了北斗系統(tǒng)在400m剖面漂流浮標(biāo)的應(yīng)用。當(dāng)然,通過浮標(biāo)布放后的實(shí)際剖面測量工作情況,發(fā)現(xiàn)存在有效數(shù)據(jù)接收率相對(duì)較低的問題。后期的浮標(biāo)設(shè)計(jì)中,將采用更有效的數(shù)據(jù)壓縮手段和增加重復(fù)發(fā)射次數(shù)等方式,提高浮標(biāo)的有效數(shù)據(jù)接收率。4.64浮標(biāo)的應(yīng)用效果在試驗(yàn)樣機(jī)海上試驗(yàn)基礎(chǔ)上,經(jīng)過改進(jìn)的400m剖面漂流浮標(biāo)工程樣機(jī),于2009年03月至04月進(jìn)行了海上布放。參加海上布放試驗(yàn)的5臺(tái)浮標(biāo)分別完成了159,127,109,94和83個(gè)剖面測量工作,在共計(jì)完成了572個(gè)剖面測量中共發(fā)送數(shù)據(jù)8580條,實(shí)際接收到數(shù)據(jù)8101條,數(shù)據(jù)接收率達(dá)到94.42%,應(yīng)收到定位數(shù)據(jù)572次,實(shí)際收到定位數(shù)據(jù)為553次,定位有效率達(dá)到96.