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监视全球的卫星导航

2015-05-14骆昌芹

知识窗 2015年12期
关键词:原子钟全球定位系统接收机

骆昌芹

古时候,航海家们凭借观察天象,即观察日、月和星辰的位置来确定船只的位置,随着指南针、磁性罗盘、六分仪的发明,人们开始使用仪器设备进行导航。近代人们利用无线电技术进行导航,但无线电导航系统的导航台设在地面,这就需要在世界各地建立成百上千个导航台,花费大量人力物力,且只能保证特定区域范围内的安全航行,远不能满足全球范围内精确导航的需求。

卫星导航技术开创新纪元

人造地球卫星的出现,使人们有条件把无线电导航台搬上天空。如今,卫星导航系统能为地球上任何地方的用户,提供全天候、连续、实时的导航数据,指出用户在空间的精确位置(经度、纬度和高度),以及航行的速度等。美国的全球定位系统于1973年开始研制,包括二十四颗卫星,这些卫星都是按照预定的规律分布在轨道上的,分三个轨道平面,每个轨道面上有八颗卫星,轨道高度为两万多公里,二十四颗卫星均匀地绕地球运行。对世界各地的各类用户,如飞机、舰船、地面车辆,甚至导弹和低轨道的卫星等,都能做到有“求”必“应”。例如,迷路的部队,只要按下小型接收机的“定位”按钮,就可以立即知道自己所在位置的精确坐标,以及与目的地之间的距离和方向。

这二十四颗卫星的布置方式,保证了地球上任何地方、任何时刻至少能看到其中的六颗卫星,而实际上用户只要用四颗卫星就可以确定自己位置的精确经度、纬度和高度。

导航卫星定位系统如何定位

导航卫星全球定位系统利用三个双曲面相交确定空间点的位置。形成双曲线的几何原理是:到两个固定点的距离差为常数的动点之轨迹,是以这两个固定点为焦点的一条双曲线。平面上两条双曲线相交就能确定一个点的位置。如在海上航行的船只,同时测量到三个地面导航台站的距离,可以得到两组距离差,因此可以得到两条双曲线位置线,这两条双曲线的交点即是船的位置。同样,如果用户接收机同时测量到四颗卫星的距离,就能得到三个独立的距离差方程,也就可以计算出三个相应的旋转双曲面,三个旋转双曲面的交点即是用户接收机在空间的位置。

二十四颗卫星向地面不断发送经过加密的密码导航信号,密码信号中包含各种数据,如卫星每时每刻轨道上的位置,精确的时间数据等,密码信号是用L波段的两个频率(1227.6兆赫和1575.42兆赫)发送的。全球定位系统用户,不论是在陆地、海洋和空中航行的船只、飞机、车辆、导弹等,只要配备合适的接收机和数据处理设备,就能接收到四颗卫星发送的密码信号。根据计时测距的原理,用无线电测量技术可测得不同的时差,把这些测量数据传输给高速电子计算机计算,就可立即得到用户的确切位置。最好的接收机,获得的位置数据,误差不超过十米。该系统用户数量不受限制,且用户本身不需要发射电磁波,对用户具有较好的保密性,很适合军事用户的保密要求。

二十四颗卫星是全球定位系统的关键。卫星带有精确的原子钟、微处理机和无线电密码信号发射机等关键设备。卫星上原子钟是精确定位所必需的,原子钟偏差十亿分之一秒就会引起测距误差0.4米。目前,卫星上所用的原子钟,每昼夜偏差约为一千万分之一秒,使用这样精确的钟,在定位精准度为十米时,要求对原子钟每3到4小时校正一次,才能达到要求。而目前正在试验的一种性能较好、更为稳定的绝原子钟,每三十万年误差小于一秒,每昼夜只差一亿分之一秒,这种钟在一周内校正2到3次就够了。

地面控制设施相辅助

卫星上除装有上述关键的导航设备外,还得装上保证卫星正常工作的系统。如为卫星供电的太阳电池帆板,蓄电池和卫星姿态控制系统等。

要使二十四颗卫星所发射的密码导航数据准确无误,这就要靠地面控制设施完成。地面控制设施包括一个主控站、四个监控站和一个数据注入站。它们负责跟踪和监视所有的卫星,并把接收到的数据汇集到主控站进行数据处理,准确计算并预报卫星运行的精确轨道和时间,并对卫星上的原子钟进行校正,使整个卫星系统时间同步。数据注入站则会定期把预报的卫星精确轨道星历数据发送给卫星,更新旧轨道星历数据,利用卫星上的微处理机把数据存储起来,编成密码向地面发送。

有了全球定位系统,可以大大提高陆、海、空三军在全球范围内的作战能力,以及武器系统的命中精准度,如洲际弹道导弹、战术导弹等都可安装全球定位系统接收机,在飞行中定位,用于中途制导,修正惯性导航系统累积误差,增加命中精准度。也能使战略轰炸机精确测定投弹点的位置,这就是全球定位系统的战略意义。全球定位系统对石油和矿床的勘探、开发和地形地图的测绘等事业也有促进作用。我国全球定位系统的密码信号已部分公开供民用导航使用,并将于2020年推出自己的全球导航定位系统,为全球客户提供精确的导航和定位。

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