饥荒鸟笼有什么用:中国北斗导航系统探秘

中国北斗导航系统探秘  

2011-04-20 10:58:12|  分类： 科学原理 |  标签：长征三号  北斗卫星  全球定位系统  导航系统  杂谈   |字号大中小 订阅

北斗卫星导航系统构想于上世纪80年代中期，经过多年的研究和实验，最早的两颗卫星北斗-1A和北斗-1B已经于2000年成功地送往预定轨道，并于随后的2001年开始为相关机构提供导航与定位服务。2003年，北斗-1C后备卫星发射升空，这标志着第一代北斗卫星实验项目完成。

自2004年4月之后，北斗卫星导航系统开始向平民开放，这使得中国和第三世界国家继美国和俄罗斯之后，开始拥有并配置卫星导航系统。随着导航定位系统在未来信息社会的应用，法国、欧盟和日本也有开发本土导航网络的计划。下一节，您将了解当前世界卫星导航系统的格局。

世界卫星导航系统格局

目前，世界上最为流行的卫星导航系统（satellite navigation system），是由美国开发的全球定位系统，即我们通常所谓的GPS。其它的卫星导航系统还包括，俄罗斯开发的全球导航卫星系统“格洛纳斯”（GLONASS），中国的北斗导航系统和欧盟的伽利略卫星导航系统。

俄罗斯的“格洛纳斯”于1991年初步实现了世界覆盖，不幸的是，由于苏联解体后俄罗斯经济的崩溃，该系统的支持资金面临紧缺，这也导致了这些卫星的运营长期处于停滞状态。不过，随着俄罗斯与印度确立战略合作关系，该系统的推进有望加速。俄罗斯原计划于2010年实现系统信号覆盖全球，但是2010年12月发射的３颗“格洛纳斯”-M型全球导航系统导航卫星却遭遇失败并坠入太平洋，使人们对该系统的前景产生担忧。

由欧盟所开发的伽利略卫星导航系统，目前也处于开发阶段，欧盟预计将于2013年前实现全面运转。如果这一计划顺利实现，那么该系统将有望提供比GPS、“格洛纳斯”和北斗系统更为精确的测量和定位服务。欧盟声称，其最高精确度将达到1米，而目前处于开发阶段的北斗系统只能实现10米的精度。

卫星导航系统不仅可以为用户提供精确的方位信息，而且可以测定用户的高度、方向甚至是速度。因此，它们是空间、海洋和陆地航行必不可缺的工具。卫星导航系统目前也被广泛应用于各种基于场域的科学研究，以提供精确的测量数据。

军队则可以用它来实现监视、跟踪和联合监管工作。现在，关于第一代全球定位系统——美国的GPS和俄罗斯的“格洛纳斯”——建设之最初就是为了实现军事目的，已经不是什么秘密。全球定位系统的概念可以追溯到20世纪60年代晚期，但是直到1983年，美国总统罗纳德?李根才签署指令，允许该系统相关技术在民间应用。

现在，大量的设备都安装有GPS接收组件，从手机通讯设备，甚至到宠物狗的项圈。当然，我们也可以在天文望远镜上找到它们。

目前，世界卫星导航系统已经陷入了“四国演义”的阶段。从2008年起，欧洲发布报告称，中国的卫星导航系统与“伽利略”系统产生了频段重叠，欧洲方面一直尝试劝说中国方面让出伽利略“公共常规服务”（PRS）的预定频段。据报道称，伽利略的PRS服务等同于美国GPS的军事密码，关系到国防安全。尽管双方已进行两年多时间的协商，但目前仍未取得任何进展。

以上就是为何卫星导航定位系统受到世界各国的高度关注，并不遗余力地进行开发与实验。根据国内公开来源的信息，中国的私家车有望于2012年开始使用中国北斗导航定位系统提供的服务，而且其接收芯片将比目前流行的GPS系统芯片价格要低。那么，中国的北斗卫星导航系统究竟有哪些特点？让我们接着阅读下一节。

北斗导航系统的技术特点

与美国GPS系统所运用的大型卫星群不同，早期的北斗系统采用一种双星定位方法（dual-satellite positioning method），地面接收站通过两颗卫星向使用者发出询问信号，用户终端再向两颗卫星发出回应。根据信号的传播时间与卫星的位置，可以通过几何测算得到用户的两维位置；系统结合存储的三维立体数据完成绘图，再将相关信息或通信内容通过卫星传送给用户。

北斗卫星导航系统被界定为“有源系统”，因为用户需要传输数据而不是简单地接收他的位置数据。每一种有源系统都有弱点，因为电子支持措施，比如广播定位系统，可以截获这些信号并且追踪用户的方向和位置。在被动系统比如GPS当中，终端至少会通过在给定位置的3-4颗卫星接收信号，并通过计算与每颗卫星的距离来推导出用户的3D位置。因此，这种被动接受系统在信号安全上更有保障。据内部人士称，中国已着手克服这些问题，并将有望于2012年提供被动定位服务，并最终可以与GPS相媲美。

也有研究认为北斗导航系统在追踪速率方面存在软肋。航天工具可以以每秒数百米的速度前行，这可能会导致测算中存在巨大误差。而相较而言，GPS终端已经在现代军事飞行器与制导炸弹和导弹的引导装备中得到应用，这也是未来北斗导航系统需要克服的问题。

不过反过来讲，这种技术也有它的好处，那就是利于卫星地面接收站来监控任意用户，而被动接收系统则无法做到这一点。事实上，中国自2007年开始，就已经运用第一代北斗系统监视南海渔船活动。中国的边疆地区，比如新疆和南沙正在考虑使用该系统，这些终端可以发送并接收文本信息。第一代北斗系统在2008年的汶川地震中初次登场并发挥了积极作用，部队救援人员在震区利用终端设备得到实时方位信息，并且与指挥官保持即时联络。

从2003年到2008年，北斗卫星导航系统的用户已经从几千人增加到8万人。不过，目前中国的卫星导航系统市场的95%仍然被GPS所占据，北斗导航系统的市场仍然有限，有关人员推测，中国政府在未来可能对该系统的推广提供政策支持。那么，该系统未来的前景如何？让我们接着阅读下一节。

北斗卫星导航系统的应用前景

自2007年开始，中国已经进入第二代北斗卫星导航系统研发阶段。与第一代实验项目仅有3颗导航卫星、有限的覆盖与应用不同，第二代导航系统未来将包括35颗环地球导航卫星，其覆盖范围将从亚太地区逐步扩展到全球。同时，一系列新的技术手段与应用将会逐步进入人们的视野。

据中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其透露，北斗卫星导航系统除了能够提供高精度、高可靠的定位、导航和授时服务，还保留了北斗卫星导航试验系统的短报文通信，差分服务和完好性服务特色，是中国经济社会发展不可或缺的重大空间信息基础设备。

中国卫星导航系统将融入航空与原子钟技术，从而代表了时间与空间技术的融合。卫星的精确定位则有赖于原子钟的精确性，而中国的原子钟实验曾停滞长达20年之久，必须依赖适用GPS时间的进口高精度工具。进入21世纪后，原子钟技术与国家时频系统研究得以重新启动。因此，北斗导航卫星系统将有可能为全球提供精确的授时服务。该系统可以同时提供单向与双向授时（one-way& two-way timing services），单向授时的精度可达到100毫微秒（相当于十亿分之一秒），双向授时可达到20毫微秒。通过使用单向模式，用户可以直接通过导航信号而不是地球中心站实现时间同步。

北斗高精度授时系统已经进入中国的电力网，从而监控网络中所有的时钟与给定时间。此外，它还可以自动控制网络时钟，实现远程时间调节。因此，中国已经解决了电力网络中的时间同步问题，并且拥有独立的知识产权。

北斗系统同时也可以用于金融与贸易领域。由于终端电脑通常与服务器之间有两秒的时间差，金融黑客通常会利用这个时间差来操纵股票价格。这种时间上的差异可能导致黑客从普通投资者那里掠夺大量资金。因此，在金融交易系统中，建设如北斗卫星这样在主机与下游设备之间同样精确的电子钟格外重要。由于所有的设备在同一时间接受同样的金融信息，黑客便失去了操作的空间。

北斗导航系统同时也拥有巨大的商业潜力。中国是世界上最大的运输、汽车与手机市场，据相关统计，在2009年，该系统已经拥有60,000的使用者，并且提供了3.3亿次以上的定位服务，2.2亿次通讯服务以及3000万次双向授时服务。

与此同时，北斗导航系统的产业化导向十分明确。在2009年12月26日，中国第一家导航卫星服务产业基地在上海成立，这表明北斗卫星导航服务的产业化运营迈出了实质性的一步。