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无线电导航让生活更美好

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2019-05-31 点击量:75 编辑:

  一、你知道导航的历史吗?

  导航一词源于1530年代,从拉丁语navematio(navigatio),navigatus,navigare的“帆船,海上航行,引导船”,从navis“船”和agere的根“驾车”。由此可见,导航的起源与航海有关。在开放海洋航行的最早期出现了波利尼西亚导航,它是基于记录和观察记录在科学仪器,如马绍尔群岛海图波斯图。早期的太平洋波利尼西亚人利用星星的运动、天气、某些野生动物物种的位置,或波浪的大小来找到从一个岛屿到另一个岛屿的路径。在中世纪的地中海地区,海上航行开始使用诸如水手星座之类的科学仪器。在十五世纪的“发现时代”期间开始使用星光轮和指南针的海洋航行。

  指南针是中国四大发明之一,古代称司南,是一种辨别方向用的仪器,是中国古代劳动人民在长期的实践中对物体磁性认识的发明。据《古矿录》记载最早出现于战国时期的河北磁山一带。据近代考古学家猜测用天然磁铁矿石琢成一个勺形的东西,放在一个光滑的盘上,盘上刻着方位,利用磁铁指南的作用,可以辨别方向。司南是用硬度为5.5度至6.5度的天然磁石琢磨制而成,因是用磁石磨制,从体积和重量来说都不便于携带,可能是它长期未得到广泛应用的主要原因。现代指南针是以天然磁石摩擦钢针制成,便于携带。

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图1 中国古代的司南

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图2 现代指南针

  随着人类的进步,导航技术也一直在改进,从早期的天体观测、指南针的发明到惯性导航技术。而当19世纪末人类发明了无线电技术,导航技术也得到了质的改变,因为我们有了无线电导航技术。20世纪20~30年代无线电测向是航海和航空仅有的一种导航手段而且一直沿用至今,不过它后来已成为一种辅助手段。第二次世界大战期间,无线电导航技术迅速发展,出现了各种导航系统,雷达也开始在舰船和飞机上用作导航手段,飞机着陆开始使用雷达和仪表着陆系统。 60年代出现子午仪卫星导航系统;70年代微波,着陆引导系统研制成功;80年代,同步测距全球定位系统研制成功。

  二、什么是无线电导航

  无线电的波长比可见光大的多,不会被大气和尘埃阻挡,甚至可以在一定程度上克服地球的弧度传播。如果能竖立一些发射无线电波的“灯塔”,飞机和船只就可以测量和各个灯塔之间的距离(角度),进而计算自己的位置。这是无线电导航的原理,也是无线电测向运动的由来。第一次世界大战时,飞行员通过收听各个城市的广播摸索出了无线电导航技术。第二次世界大战,各国都建立了无线电导航站,向特定的方向发射无线电波束,几个波束的交汇点就是轰炸目标。空军因此拥有了夜战和恶劣天气的战斗能力,灯火管制也不再是逃避轰炸的必胜手段。二战后,无线电导航台成为了民航和军用机场的标准配置。

  三、无线电导航系统有哪些

  从导航台的所在位置来判定导航的性质,主要有陆基导航系统和星基导航系统。

  1.陆基无线电导航系统

  陆基导航系统导航台位于陆地上,导航台与导航设备之间用无线电波联系,如甚高频全向信标(VOR)、微波着陆系统、罗兰、欧米伽导航系统。

  2. 星基无线电导航系统

  星基导航系统导航台设在人造卫星上,覆盖范围大大扩大,如美国的GPS(全球定位系统)、俄罗斯的GLONASS和中国的北斗等卫星导航系统。

  20世纪50~70 年代,东西方两大阵营的冷战时期,军备竞赛激烈。美国和前苏联为了满足本国以及盟国在军事和航天方面的实际需要,以及美国和前苏联分别代表的资本主义阵营和社会主义阵营在政治宣传上的需要,开始了在 太空领域的角逐。

  1957年前苏联成功发射第一颗人造地球卫星。卫星开始用于通信、侦察等领域,推动了天技术发展、电子信息技术的发展、时间基准和传递、大地测绘等基础技术的发展。20世纪70、80年代美国国防部研制并由美国军方控制的一个全球定位系统,是一个由24 颗人造地球卫星、地面控制系统和用户设备构成的星基无线电定位系统,也就是GPS。

  四、 离不开的卫星导航

  说起导航,相信大部分人的第一反应就是手机上用的百度地图或高德地图,这种带有导航功能的电子地图其实就是星基导航系统的一种应用,而且是全世界范围内各国公民使用最广泛的应用之一。在智能手机问世之前,我们出远门时带上地图册(还得是最新版的),而这还不一定靠谱,真正到了某地还得时不时向当地人问问路,才不至于迷失了方向。随着科学技术的发展,卫星导航系统的建立,加上智能手机的普及,卫星导航才真正走进我们每一个普通人的生活。

图1 地图与问路

  1. 全球卫星导航系统

  全球性的卫星导航系统共有四个:美国的GPS是全球第一个卫星导航系统,也是我们最熟知的,1994年就覆盖全球 98% 的区域,后来欧洲为了摆脱对GPS的依赖,打破美国的垄断,建立了伽利略,与美国的GPS系统相比,伽利略系统更先进,也更可靠。美国GPS向别国提供的卫星信号,只能发现地面大约10米长的物体,而伽利略的卫星则能发现1米长的目标。一位军事专家形象地比喻说,GPS系统只能找到街道,而伽利略则可找到家门。伽利略系统将在2020年完成所有卫星发射。中国早期也参加了伽利略,后期受到排挤,开始转向自己的北斗系统,北斗的特色是短报文服务,可以简单理解为类似手机短信这样的东西。北斗系统将于2020年基本建成。俄罗斯则有自己的格洛纳斯系统,相对来说,格洛纳斯卫星少,终端设备发展缓慢。四大系统中,北斗和伽利略比较先进。

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图2 卫星导航系统

  这四大系统刚好对应世界四大军事集团,不是偶然的,因为卫星导航的重要应用之一就是军事,涉及到国家安全,飞机、军舰、导弹等的导航都需要高精度卫星导航系统的支持,如果发生战争,而敌方掐断了卫星导航系统,或者把精度修改,将是很致命的。事实上,这四大系统基本上也只对非军事盟友开放低精度的服务,这个很好理解。

  2.卫星导航原理

  利用无线电波的传播特性测定目标的位置、速度及其他特性,或者获得这些参与有关的信息,叫无线电测定。用于导航(包括障碍物告警)的无线电测定,叫无线电导航。所以卫星导航系统的原理,本质是利用卫星定位来提供导航服务。接下来我们简单介绍下卫星定位的原理。

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图3 卫星定位示意图

  图3中的飞机、汽车和行人都想知道自己当前的位置在哪里。卫星1、卫星2、卫星3、卫星4为本次定位要用到的四颗卫星,position1、position2、position3、position4分别为四颗卫星的当前位置(空间坐标),d1、d2、d3、d4分别为四颗卫星到汽车的距离,Location 为要定位的卫星接收器的位置。

  Location=GetLocation([Position1,d1],[Position2,d2],[Position3,d3],[Position4,d4])

  1) Position1、Position2、Position3、Position4这些位置信息从哪里来?

  实际上,运行于宇宙空间的GPS卫星,每一个都在时刻不停地通过卫星信号向全世界广播自己的当前位置坐标信息。任何一个GPS接收器都可以通过天线很轻松地接收到这些信息,并且能够读懂这些信息(这其实也是每一个GPS芯片的核心功能之一)。这就是这些位置信息的来源。

  2) d1、d2、d3、d4这些距离信息从哪里来?

  我们已经知道每一个GPS卫星都在不辞辛劳地广播自己的位置,那么在发送位置信息的同时,也会附加上该数据包发出时的时间戳。GPS接收器收到数据包后,用当前时间(当前时间当然只能由GPS接收器自己来确定了)减去时间戳上的时间,就是数据包在空中传输所用的时间了。

  知道了数据包在空中的传输时间,那么乘上他的传输速度,就是数据包在空中传输的距离,也就是该卫星到GPS接收器的距离了。数据包是通过无线电波传送的,那么理想速度就是光速c,把传播时间记为Ti的话,用公式表示就是:

  di=c*Ti(i=1,2,3,4);

  这就是di(i=1,2,3,4)的来源了。

  3) GetLocation()函数是如何执行的?

  这个函数是我为了说明问题而虚构的,事实上未必存在,但是一定存在这样类似的运算逻辑。这些运算逻辑可以由软件来实现,但是事实上可能大都是由硬件芯片来完成的(GPS芯片的核心功能之一)。

  4) 为什么要必须要四对参数?

  根据立体几何知识,三维空间中,三对[Positioni,di]这样的数据就可以确定一个点了(实际上可能是两个,但我们可以通过逻辑判断舍去一个),为什么这里需要四对呢?理想情况下,的确三对就够了,也就是说理想情况下只需要三颗卫星就可以实现GPS定位。但是事实上,必须要四颗。

  因为根据上面的公式,di是通过c*Ti计算出来的,而我们知道c值是很大的(理想速度即光速),那么对于时间Ti而言,一个极小的误差都会被放大很多倍从而导致整个结果无效。也就是说,在GPS定位中,对时间的精度要求是极高的。GPS卫星上是用銫原子钟来计时的,但是我们不可能为每一个GPS接收器也配一个銫原子钟,因为一个銫原子钟的价格可能已经超过了这个GPS设备再加上使用GPS的这辆名贵汽车的价格。

  同时,由于速度c也会受到空中电离层的影响,因此也会有误差;再者,GPS卫星广播的自己的位置也可能会有误差。其他等等一些因素也会影响数据的精确度。

  总之,数据是存在误差的。这些误差可能导致定位精确度降低,也可能直接导致定位无效。GetLocation()函数中多用了一组数据,正是为了来校正误差。至于具体的细节,我们就不用关心了,我们只要知道,多用一组数据,就可以通过一些巧妙的算法,消除或减小误差,保证定位有效。这就是GetLocation()函数必须用四组数据的原因,也就是为什么必须有四颗卫星才能定位的原因。

  5) GetLocation()函数返回的位置信息怎样被GPS设备识别呢?

  前面说在进行位置计算时都是用的空间坐标形式表示,但是对GPS设备及应用程序而言,通常需要用的是一个[经度,纬度,高度]这样的位置信息。那么我们可以想象,在GetLocation()函数返回位置结果前,可能会进行一个从空间坐标形式到经纬度形式的转换,我们不妨假设存在一个Convert(经纬度,空间坐标)这样的函数来进行这个转换。

  五、 我国卫星导航的发展现状及未来

  2019年4月20日,我国在西昌卫星发射中心成功发射第四十四颗北斗导航卫星。此次发射是2019年度北斗导航卫星首次发射,拉开今年北斗高密度组网序幕。 这颗卫星是北斗三号系统第二十颗组网卫星,也是北斗三号系统首颗倾斜地球同步轨道卫星,经过一系列在轨测试后,该卫星将与此前发射的18颗中圆地球轨道卫星和1颗地球同步轨道卫星进行组网,这种包括三种不同类型轨道卫星的混合星座设计是北斗系统独有、国际首创,将有效增加亚太地区卫星可见数,为亚太地区提供更优质服务。

  2020年前后,我国将建成北斗全球系统,向全球提供服务。2035年前还将建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系,成为世界一流的卫星导航系统。


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     来源:中国无线电管理



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