全球卫星定位系统知多少?四大系统发展历史全解析

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全球定位系统是英文Global Positioning System的缩写,通常特指美国的该系统。全球范围内投入使用的卫星定位系统还包括俄罗斯的格罗纳斯系统与中国北斗导航系统,欧盟的伽利略定位系统目前正处于建设阶段,这些系统在整体构造和定位机制上大体相同,都属于卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)这一类别。

该定位服务设施可以不受气候条件制约,提供持续运作,覆盖全球范围,实现迅速锁定位置,达到高水准的准确度,用途十分多样,已经发展出规模宏大的相关产业体系。

四大全球定位系统示意 @图片来源网络一、发展历史

二十世纪六十年代末期,美国着手开发卫星定位系统,旨在为陆军、海军及空军三大领域,提供即时、无间断且覆盖全球的定向支持,随后美国海军启动了Timation计划。这套系统运用十二到十八颗星体构筑全球定位网络,历经二十年以上科研探索,至1994年,已成功构建覆盖全球98%区域的二十四星GPS定位网络,即导航卫星计时与测距全球定位系统(Navigation Satellite Timing and Ranging Global Position System, NAVSTART GPS),简称为全球定位系统(GPS)

这项计划在阿波罗登月项目和航天飞机工程之后,位列世界航天事业的第三位,最初以军事需求为出发点,如今却已深度融入现代社会生活的各个角落,人们已经无法脱离基于全球定位系统的定位和导航功能。俄罗斯、欧盟、中国、日本以及印度,也相继开始研发并部署属于自己的全球性或区域性卫星导航网络。

二十世纪以来,空间导航与定位服务的商业价值日益凸显。据欧洲全球导航卫星系统监管机构2019年所发的《全球导航卫星系统(GNSS)市场分析》,截至2019年岁末,全球使用中的GNSS装置总数大约为六十四亿件,GNSS产业体量已突破一千五百亿欧元,预判到2029年,其数量将增至九十五亿件以上,全球卫星导航系统产业的总营收将超越三千二百四十四亿欧元。

二、定位原理与系统构成定位原理

某个时候,选定三个确定位置,对同一个物体进行观测并确定距离,接着以这些位置为基准,按照测得的距离画出三个圆形区域,这三个圆在平面图上会形成一个确定的点,这种确定位置的方式能够称作是基线会聚或距离会聚。全球定位技术,是利用已知的卫星在特定时间的坐标和运行轨迹,将卫星作为参照物,借助接收装置,测量目标地点与卫星之间的空间间隔,从而推算出目标地点在那一刻的具体空间坐标的一种技术方法。

系统构成

以全球导航卫星系统为例,一个标准的定位系统由三个主要部分组成,分别是太空段、地面控制段以及接收设备段。

gps检测工具_卫星导航系统_GPS系统

空间部分总共部署了24颗GPS工作卫星,另外有3颗作为备用星,它们分设在六个轨道上运行,这些轨道的倾角都是55度,距离地球大约20200公里,每颗卫星都会发出用于导航定位的信号,这种安排是为了确保在地球上的任何位置、任何时间至少能够探测到四颗卫星。

地面监测系统由主控点、监测点及注入点构成,核心职责在于推算星体运行轨迹与时间偏差的修正量,负责观察星体运行状况,执行星体任务分配与指令下达等操作。

用户接受部分涵盖所有能够接收GPS信号的设备,这些设备可以依据观测到的信号,自行推算出某一时刻所在的三维空间坐标,并且无需得到许可,也不必为接收GPS信号支付费用。

定位精度

全球卫星导航系统兼顾民用与军用需求,无需特别许可即可使用,美国军方曾以保密为由,在标准定位信息中植入干扰因素,降低非战斗领域的精准度。克林顿政府于2000年5月1日从战略角度决定终止该干扰措施,由此产生的人为偏差随即消失。

卫星导航系统的定位精确度,主要受到两个要素的影响,其一为位置精度衰减因子,这个因子主要受到卫星星座覆盖情况的影响,通常情况下,用户能够观测到的卫星数量越多,卫星与用户的几何关系就越好,位置精度衰减因子的数值也就越理想,目前全球四个主要的全球卫星导航系统,其位置精度衰减因子的全球平均值大概在2这个数值附近。第二点涉及等效测量距离误差,这个误差由三项因素综合造成,分别是空间链路卫星轨道钟差,传输路径中电离层与对流层的影响,以及用户设备接收噪声和多径干扰等。当前四大卫星导航系统此项误差通常在2米左右(置信度为95%),系统定位的准确程度取决于位置精度因子与等效测量距离误差的相乘结果。

多数卫星相关偏差和信号传输时电离层、对流层引发的误差,表现出突出的空间关联性,由此发展出利用关联模型提升定位准确度的差分方法。

三、主要应用

全球定位系统操作便捷,定位精准迅速,用途广泛,从功能角度分析,导航方面的典型用途包括军事行动、物资运输、交通运输、野外活动;测量定位方面的典型用途涵盖基础建设、灾害预防、地球科学探索;授时服务方面的典型用途例如为通信基站、电视广播站、工业装置等提供精确的同步时间基准。

全球定位系统反映了过去十年多学科技术进步的主要方向,是现代各项重要综合性技术发展的核心构成部分。全球定位系统凭借其经济实惠且遍及全球的时空数据能力,在技术与应用的多元快速演进中扮演了关键角色,由此催生了众多值得重视的应用场景,诸如物联网、海量数据管理、移动医疗保健、虚拟现实增强、智慧都市建设以及综合运输物流体系。

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