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材制視角 | 中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

2021-03-05 20:53 作者:青春材制 0人讀過(guò) | 我要投稿

初轉(zhuǎn)載于?愛(ài)學(xué)習(xí)的?青春材制?2020-11-13

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　　文明的發(fā)展離不開導(dǎo)航技術(shù)。古時(shí)候，人們通過(guò)比對(duì)標(biāo)記物，通過(guò)觀察日月星空、天氣、野生動(dòng)物的痕跡等等自然事物找到路線——這就是最初的導(dǎo)航。隨著文明的發(fā)展，我們又發(fā)明了指南針、六分儀等工具來(lái)“觀測(cè)”方向。到了現(xiàn)代，得益于電磁波的發(fā)現(xiàn)運(yùn)用和強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)設(shè)備，我們能夠不通過(guò)比對(duì)周邊事物就夠能在地球坐標(biāo)系中確定自己的位置了。甚至我們可以將人造的天體送上太空，用來(lái)定位和指引方向。

　　1946年，美國(guó)建成“子午儀”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)并交付海軍使用，主要用途是為核潛艇和水面艦艇的導(dǎo)航之用。這就是最初的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也是我們所熟知的GPS（global posting system）的前身。子午儀導(dǎo)航系統(tǒng)可以全天候?qū)Ш?，?dǎo)航信號(hào)覆蓋全球，導(dǎo)航精度優(yōu)于以前任何系統(tǒng)，但卻不能定高度、速度，不能連續(xù)實(shí)施導(dǎo)航。于是，為了解決“子午儀”的眾多問(wèn)題，GPS誕生了。和“子午儀”相比，GPS定位精度大為提高，而且GPS可提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航和較高的容錯(cuò)性，除了傳統(tǒng)的導(dǎo)航用途外，GPS還可以提供較為精確的移動(dòng)信息和時(shí)間校正功能。可以說(shuō)，GPS相對(duì)于“子午儀”有了重大的飛躍，讓衛(wèi)星導(dǎo)航真正進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用領(lǐng)域。

　　全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)戰(zhàn)略意義重大。1999年印度和巴基斯坦沖突時(shí)美國(guó)曾切斷沖突區(qū)域的GPS信號(hào)，導(dǎo)致印度軍隊(duì)失去方向，行動(dòng)受阻。這警醒了我們一定要有屬于自己的定位系統(tǒng)才能滿足國(guó)防安全的需求

?——這就是我們的北斗誕生的前因。

說(shuō)了這么多歷史上的因緣，讓我們來(lái)認(rèn)識(shí)一下我們的北斗吧！

　　北斗系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成：

空間段

　　空間段是由若干地球靜止軌道衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和中圓軌道衛(wèi)星等組成的。

地面段

　　地面段包括主控站、時(shí)間同步/注入站和監(jiān)測(cè)站等若干地面站，以及星間鏈路運(yùn)行管理設(shè)施。

用戶段

　　用戶段包括北斗兼容其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等基礎(chǔ)產(chǎn)品，以及終端產(chǎn)品、應(yīng)用系統(tǒng)與應(yīng)用服務(wù)等。

　　衛(wèi)星導(dǎo)航按測(cè)量導(dǎo)航參數(shù)的幾何定位原理分為測(cè)角、時(shí)間測(cè)距、多普勒測(cè)速和組合法等系統(tǒng)。而北斗導(dǎo)航又稱雙星快速定位通訊系統(tǒng)，運(yùn)用的是時(shí)間測(cè)距的定位方法，運(yùn)用的是遲到上經(jīng)度不同的兩顆地球靜止軌道衛(wèi)星和一些輔助手段，為工作區(qū)內(nèi)用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)的定位信息。

　　圖中的S1和S2是兩顆位置精確已知的赤道上空的地球同步衛(wèi)星，它們的選取是隨機(jī)的。圖中的坐標(biāo)為大地直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，X為緯度，Y為經(jīng)度，Z為海拔高度。

　　雙星定位法的整個(gè)流程就是現(xiàn)有地面的中心處理站向S1、S2發(fā)送詢問(wèn)信號(hào)，S1、S2中的一顆衛(wèi)星接收到信號(hào)后進(jìn)行簡(jiǎn)單的頻率變換后再轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。用戶收發(fā)器接收到信號(hào)后，用脈沖二進(jìn)制序列碼信號(hào)回答，這個(gè)回答信號(hào)提供了數(shù)字測(cè)高儀數(shù)據(jù)。用戶收發(fā)機(jī)的天線是全向波束，衛(wèi)星S1和S2接收到用戶回答信號(hào)后進(jìn)行頻率變換再轉(zhuǎn)發(fā)給地面中心處理站。

　　這樣，地面中心處理站在不同的時(shí)刻接收到同一個(gè)用戶應(yīng)答的二進(jìn)制脈沖序列，就可以測(cè)量自發(fā)出詢問(wèn)信號(hào)到收到用戶應(yīng)答信號(hào)的時(shí)間間隔。之后，中心站自動(dòng)送出一個(gè)確認(rèn)信號(hào)給用戶，表明用戶發(fā)送的最新信號(hào)已正確接收，這時(shí)用戶收發(fā)機(jī)自動(dòng)停止一段時(shí)間并暫時(shí)拒收其它后繼詢問(wèn)信號(hào)，暫停時(shí)間長(zhǎng)短由用戶需求決定。

　　中心處理站的設(shè)備根據(jù)測(cè)定的用戶終端應(yīng)答的時(shí)間間隔和站內(nèi)儲(chǔ)存的數(shù)字地形圖及用戶提供的數(shù)字測(cè)高儀數(shù)據(jù)，就可以處理出用戶位置的地理緯度、經(jīng)度和海拔高度（大地直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)）。再將數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)器中用戶前次的位置信息作比較，計(jì)算得出用戶在三個(gè)坐標(biāo)上的速度。由中心站解調(diào)出用戶應(yīng)答信號(hào)中的電文信息，解讀出用戶申請(qǐng)的服務(wù)內(nèi)容。再把處理出來(lái)的用戶定位、導(dǎo)航信息及給用戶的電文，以脈沖二進(jìn)制序列碼信號(hào)，通過(guò)衛(wèi)星S1轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。用戶收發(fā)機(jī)對(duì)衛(wèi)星S發(fā)播的信號(hào)自動(dòng)接收、識(shí)別后，在液晶顯示器上以字母、數(shù)字、地圖、文字等形式給出用戶需要的定位、導(dǎo)航信息和電文，同時(shí)用戶收發(fā)器自動(dòng)打出“信號(hào)已成功接受”的應(yīng)答信號(hào)。從地面中心處理站發(fā)出詢問(wèn)信號(hào)到用戶獲得定位和導(dǎo)航信息，數(shù)據(jù)流程時(shí)間約為0.6秒。

　　與GPS相比，北斗系統(tǒng)還有很多不足，但同時(shí)也有很多的優(yōu)勢(shì)：

　　比如我們的北斗同時(shí)具有定位和通訊功能（短報(bào)互文在汶川大地震抗震救災(zāi)的時(shí)候就發(fā)揮了很大作用），而GPS只能定位。

　　北斗的覆蓋范圍大，覆蓋了中國(guó)及周邊國(guó)家地區(qū)，融合北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)和衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)兩大資源。

　　最重要的是北斗是我們自主研發(fā)的系統(tǒng)，安全、可靠、保密性強(qiáng)，是我們的國(guó)防安全的重要保障。

　　中國(guó)北斗是國(guó)際上繼GPS、GLONASS之后的第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也是我們國(guó)家的一張值得自豪的名片。北斗研發(fā)過(guò)程中前輩們的種種英雄事跡我們都已不陌生，身為材制學(xué)部的學(xué)子，我們與北斗中各個(gè)環(huán)節(jié)都有著很深學(xué)科聯(lián)系，我們更應(yīng)該學(xué)習(xí)前輩們對(duì)于建設(shè)祖國(guó)的態(tài)度，踏踏實(shí)實(shí)學(xué)好學(xué)科知識(shí)，對(duì)于科研態(tài)度一絲不茍，學(xué)有所成后投身國(guó)家科技建設(shè)，使我們的祖國(guó)的科技實(shí)力更加強(qiáng)大。