GNSS定位与导航综述

2020-10-26 21:29:40 徕康小助手 3

     GNSS是Global Navigation Satellite System的缩写。很长时间以来,它有两个译名:全球卫星导航系统和全球导航卫星系统。近年来的一些相关学术会议征文中,还有将GNSS与GPS等系统并列而述的。1992年5月,国际民航组织(ICAO)在未来的航空导航系统会议上通过了计划方案"GNSS"(全球导航卫星系统)。该系统是一个全球性的位置和时间的测定系统,包括一个或几个卫星星座、机载接收仪及监视系统。GNSS全球导航卫星系统在2000年之前,将建立由GPS+GLONASS+INMARSAT+GAIT+RAIM组成的混合系统。2000年之后,将建设纯民间的GNSS系统,此系统主要目的是导航定位不再依赖美国GPS系统或前苏联GLONASS系统。GNSS系统不仅能提供与GPS和GLONASS系统相类似的导航定位功能,且能同时具有全球卫星移动通信的能力,即具有通讯与导航的双重功能。

   早在20世纪90年代中期开始,欧盟为了打破美国在卫星定位、导航、授时市场中的垄断地位,获取巨大的市场利益,增加欧洲人的就业机会,一直在致力于一个雄心勃勃的民用全球导航卫星系统计划,称之为Global Navigation Satellite System。该计划分两步实施:第一步是建立一个综合利用美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统的第一代全球导航卫星系统(当时称为GNSS-1,即后来建成的EGNOS);第二步是建立一个完全独立于美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统之外的第二代全球导航卫星系统,即正在建设中的Galileo卫星导航定位系统。由此可见,GNSS从一问世起,就不是一个单一星座系统,而是一个包括GPS、GLONASS、Compass、Galileo等在内的综合星座系统。众所周知,卫星是在天空中环绕地球而运行的,其全球性是不言而喻的;而全球导航是相对于陆基区域性导航而言,以此体现卫星导航的优越性。GNSS(全球导航卫星系统),又称天基定位、导航、授时(PNT)系统,其关键作用是提供时间/空间基准和所有与位置相关的实时动态信息,业已成为国家重大的空间和信息化基础设施,也成为体现现代化大国地位和国家综合国力的重要标志。 由于GNSS系统在国家安全和经济与社会发展中有着不可或缺的重要作用,所以世界各主要大国都竞相发展独立自主的卫星导航系统。预计在2020年前,全世界将有四大全球导航卫星系统(GNSS),它们是现有的美国GPS和俄罗斯GLONASS,欧盟计划在2013年建成的“GALILEO(伽利略)”系统,以及我国正在建设的第二代卫星导航系统,即北斗卫星导航系统(Compass计划分为两步走,先建区域系统,后建全球系统)。全球导航卫星系统起源要追溯到1957年苏联发射第一颗人造地球卫星,由它发现了多普勒定位原理,推动产生了美国的海军导航卫星系统——子午仪(Transit),进而出现了美国的GPS 和苏联的GLONASS。1973年GPS被批准立项,1978年发第一颗卫星,至今己过30年。从1995年GPS 宣布投入完全工作阶段起,也已经有20多年,目前和今后 3~5 年内它仍将是全球唯一的全功能稳定运营的卫星导航系统。作为军事系统,GPS 在海湾战争、阿富汗战争、科索沃战争和伊拉克战争中经受了一系列实战考验,无可争辩地证明了其“军力倍增器”的强大作用。作为民用系统,它远远出乎系统开发者的意料,在商业市场和大众消费领域,显示出极其强劲的高速发展势头,应用面之广大,服务层之深入,反响之强烈,前景之良好,均让人叹为观止。这堪称是美国军方继互联网之后,对民用世界的第二个最重要的贡献。 

    全球卫星导航系统及其产业当前正经历前所未有的三大转变:从单一的GPS时代转变为多星座并存兼容的GNSS新时代,导致卫星导航体系全球化和增强多模化;从以卫星导航为应用主体转变为PNT定位、导航、授时)与移动通信和互联网等信息载体融合的新阶段,导致信息融合化和产业一体化;从经销应用产品为主逐步转变为运营服务为主的新局面,导致应用规模化和服务大众化。 三大趋势发展的直接结果是使应用领域扩大,应用规模跃升,大众化市场和产业化服务迅速形成。从GPS发展到系统之系统的GNSS应该说是一种巨大的进步。实际上,GPS从投入正式工作后,于1996年便开始其现代化计划,2000年5月1日取消其人为恶化民用信号精度的可用性选择(SA) 之举措,标志着现代化计划进入实施阶段,并预计在 2013 年完成,现在已经启动新一代的GPSIII,后者计划在2020 -2021年间完成,星座卫星数量为30个,届时有可能继续成为世界上最先进的系统。 GLONASS 正在逐步恢复阶段,预计在2011年达到额定 24 颗星的工作状况,GLONASS 也在开展现代化计划,在2010年发射其利用 CDMA 编码的GLONASS -K ,实现与 GPS/Galileo在L1频点上的兼容与互用,其现代化计划预计在2017年完成,星座卫星数量达到30颗。Galileo系统预期在2013 年完成部署,投入运行,它将与GPS在L1 和L5频点上实现兼容和互用。我国的 BD-2 区域卫星导航系统,由12颗卫星组成,计划在2010-2011年间建成,并择机启动全球系统建设,估计全球系统建成期为2020年,星座卫星数量达30个,与GPS/Galileo实现L1和L5的兼容与互操作。 3. 全球导航卫星系统呈现四大特点 未来的全球系统,具有四大特点:一是多层次增强,在全球系统之外,有区域系统和局域系统对其进行增强;二是多系统兼容,通过 GNSS 兼容与互操作的合作,实现L1和L5上的民用信号的互用共享;三是多模化应用,除了导航外,还用于定位、授时、测向,充分发挥其功能与能力; 四是多手段集成,除了卫星导航及其增强外,还利用非卫星导航手段,如蜂窝移动通信 (UMTS)网络、WiFi 网络、Internet网络、惯性导航、伪卫星、无线电信标等。采取如此众多的对策措施,旨在形成一个以 GNSS 为主体的 PNT 应用服务体系,真正做到任何时候、任何地方、全时段全空间的无缝服务,实现产业的全球化、规模化、规范化和大众化发展。面对 BD-2/GPS/GLONASS/Galileo 四大系统100余颗工作卫星在天空中盘旋的局面,用户有个最优化选择和最佳化应用的问题,而四大系统及其他卫星导航服务供者的各大强国必须认真思考和实现 GNSS 的兼容与互操作,以及探索新一代民用 GNSS体系的建设方式和实施办法,在可能的条件下酝酿共建共享的问题。目前我国正处在GNSS产业爆发性增长的孕育期。据国外专业咨询公司预测,2008年全球具备卫星导航功能的 GSM/WCDMA 移动电话年销量达到7800万台左右,至2014 年则可能达到7. 7亿台,占当年全球手机总销量的55% 。如果包括基于其他空中协议(如CDMA和 iDEN)的GPS 手机在内,届时达到 9.6亿台,占当年手机销量的60%。届时大约有三分之一的销售量在中国。对于卫星导航产业而言,中国的最大优势是有庞大的内需市场,中国移动通信市场规模现己名列全球第一 (2008年用户总数达 6.412 亿户),汽车销售市场也已跻身世界第二,2008年我国汽车产销双双超过930 万辆,分别达到932. 36万辆和 936.33万辆。而移动通信和汽车产业两大市场怡怡是卫星导航的主流应用市场,预计3年左右时间内我国将形成年产值超过1000亿元的卫星导航应用与服务产业整体规模。

     近年来,一些GPS接收机制造厂商为提高市场占有率,纷纷推出所谓GNSS接收机。如Trimble 公司于2006年春推向市场的Trimble R8 GNSS接收机,宣称它采用 Trimble R-跟踪技术,能够接收和测量 GPS L2-C码和L5 信号以及 GLONASS 信号;又如拓普康GNSS接收机GB-1000和Hiper系列接收机具有40个并行通用信道, 最多可测量20颗GPS卫星和GLONASS卫星的双频信号,测量双频信号时将包括L1-C/A码和载波相位、L1-P码和载波相位、L2-P码和载波相位。由此可见,目前GPS信号接收机制造厂商所谓的GNSS接收机,只不过是一种既能够接收GPS信号,又能够接收GLONASS信号的双系统信号接收机,而不是能够接收所有在轨工作的导航卫星信号的接收机。依笔者之见,只有能够接收所有在轨工作的导航卫星信号的接收机,才是真正的GNSS接收机。 

   综上所述,GNSS的中文译名应为全球导航卫星系统。为便于明义,笔者建议称为GNSS全球导航卫星系统。它是所有在轨工作的卫星导航定位系统的总称,目前主要包揽GPS卫星全球定位系统、GLONASS全球导航卫星系统、北斗卫星导航系统、WAAS广域增强系统、EGNOS欧洲静地卫星导航重叠系统、DORIS星载多普勒无线电定轨定位系统、PRARE精确距离及其变率测量系统、QZSS准天顶卫星系统、GAGAN GPS静地卫星增强系统,以及正在建设的Galileo卫星导航定位系统、Compass卫星导航定位系统和IRNSS印度区域导航卫星系统。


标签: GNSS导航
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