卫星定位与导航技术

卫星定位与导航技术由查字典物理网资料整理，请继续关注定位与导航技术是涉及自动控制、计算机、微电子学、光 学、力学以及数学等多学科的高技术，是实现飞行器特别是 航天器飞行任务的关键技术，也是武器精确制导的核心技术 这对于提高航空器、航天器以及武器装备的机动性、反应速 度和远程精确打击能力具有重要意义，在海、陆、空、天等 现代高技术武器及武器平台中得到广泛的应用。按照定位导航的方式可分成：卫星定位导航、自主式导航、 组合导航以及无源导航。1) 卫星导航系统世界上现有卫星导航系统有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS 以及欧洲 GALILEO 卫星系统(将要建立)。这样，俄 罗斯的 GLONASS 的建立以及将要建立的 GALILEO 打破了美国 对卫星导航的独家经营的局面，降低了美国政府利用GPS施 以主权威慑给用户带来的后顾之忧。(1)全球定位系统(GPS)GPS是美国国防部为军事目的建立的，旨在彻底解决海上、空中和陆地运载工具的导航和定位问题，全部 24颗导航卫星(21颗工作卫星和3颗备用卫星)系统已经建成。GPS采用 码分多址(CDMA)，定位精度通常15m左右，主要应用于单点 导航定位与相对测地定位，具有全天候、定位迅速、精度高、 可连续提供三维位置(纬度、经度和高度)、三维速度和时间 信息等一系列优点，是实现全球导航定位的高新技术。通常 GPS 接收机接收到四颗卫星的信号就能够确定移动载体的方 位，是当前移动目标导航定位的主流。1992年GPS正式向全 世界开放， 1994 年在中国市场开始得到应用。 GPS 以精确位 置与定时信息，已成为支持世界范围各种民用、科研和商业 活动的一种资源。(2) 全球卫星导航系统(GLONASS)GLONASS是前苏联研制并为俄罗斯继续发展的全球卫星导 航系统，其组成和功能与美国的 GPS 相类似，可用于陆、海、 空等各类用户的定位、测速及精密定时等。目前已完成了 24 颗工作卫星加一颗备用卫星空间星座布局，每天 24小时每 时刻各地的用户可见58颗卫星。卫星识别采用频分多址 (FDMA)， 24 颗卫星各占一个频率，现已向全世界开放。(3) 卫星导航系统(GNSS)GNSS 是由 GPS/GLONASS/INTMARSAT 组合而成的，目前正在发展的导航系统，其中INTMARSAT是国际海事卫星组织的 简称。该组织计划通过所属的通信卫星转发GPS/GLONASS导 航信息，为全球用户提供服务。由于GNSS综合了 GPS和 GLONASS 的卫星信号，增加了整个系统可视卫星的数目，改 善了卫星几何位置配置，可在任何地方有较大高度角的卫星 提供选择，这样GNSS比GPS(或GLONASS)有更高的定位精度 和更好的完整性状态。因此，GNSS具有很强的互补作用，在 同等组合方式下，运用先进的组合导航技术，以GNSS与其 它导航技术的组合导航将比GPS(或GLONASS)与其它导航技 术组合有更高的精度和可靠性。(4) 欧洲 GALILEO 卫星欧洲为了满足本地区导航定位的需求，计划开发针对 GPS 和GLONASS的广域星基增强系统(EGNOS)，包括地面设施和 空间卫星，以提高GPS和GLONASS系统的精度、完备性和可 用性。同时，为了打破目前世界美、俄全球定位系统在这一 领域的垄断，欧洲决定启伽利略计划，建立自主的民用全球 卫星定位系统(GALILEO)。EGNOS将是欧洲GALILEO计划的第 一阶段，也是 GALILEO 计划的基础，并将在 2019 年达到初 始运行能力，2019年以前到全球运行能力。GALILEO系统将 建成全球性的定位和导航系统，它由星座部分、有效载荷、 地面监控系统以及区域控制部分组成。GALILEO 系统将成为独立性、全球性、欧洲人控制的，以 卫星为基础的民用导航和定位系统。其总的战略意图是：(1) 建立一个高效的民用导航及定位系统;(2)使之具备欧洲乃 至世界运输业可以信赖的高度安全性，并确保任何未来系统 安全置于欧洲人的控制之下;(3)该系统的实施将为欧洲工 业进军正在兴起的卫星导航市场的各个方面提供一个良好 的机会，使他们能够站在一个合理的基础上公平竞争。2) 自主导航系统随着武器性能的不断提高，军事战略思想也在不断地发展， 武器系统对导航技术提出更高的技术要求，自主导航技术、 无源导航技术适应军事战略和武器系统的新要求发展起来 的。自主导航技术、无源导航技术是航行器或武器系统在不 依赖于外部信息的条件下实现精确导航的关键技术，它大大 提高了航行器或武器系统的机动性、隐蔽性、强干扰性和生 存能力。自主式导航定位系统是利用导航的惯性原理，利用 距离传感器、方向传感器等传感器测量运动载体的位移和航 向信息，由此解算出移动载体的位置。航迹推算DR(DeadReckoning)是自主式导航定位系统的典型代表(主 要用于车辆导航) ;(1) 惯性导航系统 INS(InertialNavigationSystem)INS主要是由惯性测量装置(加速度计和陀螺仪)、计算机 和稳定平台(捷联式为"数学"平台)组成。由陀螺和加速度计 测量运动载体相对于惯性空间的角速度和线加速度，通过计 算机夹杂导航解算，从而获得运动载体相对某一基准的导航 参数。INS具有在高速率下捕捉数据的能力，且精度很高， 但是如果时间较长，精度则降低。为提高绝对精度，就需要 增加别的传感器作为辅助。(2) 航迹推算定位 DR(DeadReckoning)DR 包括罗盘仪、速率仪、里程仪、转速计。这些传感设 备能够测量出正在行驶的车辆的旅行距离、速度和方位，在 短时间内这些传感器的精度较高，但对于长时间得采取措施 以避免累积误差。3) 组合导航系统虽然 GNSS 是当前最先进的具有全球、全天候、高精度、 实时定位等优点的卫星导航定位系统，但是其动态性能和抗 干扰能力较差。INS具有自主导航能力，不需要任何外界电 磁信号就可以独立给出载体的姿态、速度和位置信息，抗外 界干扰能力强。但是 INS 定位误差随时间的延续不断增大， 即误差积累、漂移大。 GNSS/INS 组合能够充分发挥各自的优 点、克服缺点，实现在高动态和强电子干扰的环境下实时、 高精度的导航定位。因此， GNSS/INS 组合导航定位系统具有 广泛的应用前景，特别是航空、航天导航和武器制导等方面， 具有非常重要的作用。组合式导航定位系统通常利用 GNSS、 DR、INS 以及数字地图 GIS 或者其它技术等相互组合而成。 根据目前国际科技发展水平，全球范围内现有的组合导航定 位技术主要有：GNSS/INS、GNSS/INS/GIS。4无源导航系统无源导航技术地形匹配导航、重力场匹配导航以及磁场匹配导航是当代导航的一个重要发展方向。由于地形匹配 重力匹配、磁匹配辅助导航系统不依赖于目前仅由少数国家 掌握的卫星导航系统GNSS(GPS/GLONASS)，并具有高度自主 性、隐蔽性、抗干扰性和高精度等诸多优点，能满足军事各 种导航定位要求，引起了导航界及军方的普遍关注和高度重 视，已成隐蔽性运动载体无源导航的重要手段。现在国际上 普遍采用是：INS/地形匹配、INS/重力匹配、INS/磁场匹配 以及它们的组合导航定位。这种技术主要用于航海和航天领 域。