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中科院精密导航定位与定时技术重点实验室:为我国导航系统量体裁衣
文章来源: 中国科学报 沈春蕾 发布时间:2014-01-24 字体大小:【

   高精度卫星时间双向比对—同步系统天线  

 

  光学测轨观测室

  近年来,北斗地基增强系统正在全国各地普遍建设推广,更好地满足北斗系统精密定位用户和导航用户的要求。精密导航定位与定时技术重点实验室将继续发挥作用,为北斗建设贡献一份力量。
  导航的英文是navigation,原为航行之意。初始形式是罗盘领航和天文导航,此后发展到陆地车辆和航空飞行器的行驶,如今navigation也被译作领航或导航之意。
  从广义上来讲,通航就是引导车辆、航空飞行器等运动载体沿一定航线经济而安全地到达目的地,我们最常见导航设备的有车载导航。不知道是否有人思考过,为什么我们的车载导航能准确进行定位呢?
  我们看到导航系统是由卫星、地面接收站和发射站来组成,但其工作机理却比我们想象的要复杂得多。
  在中国科学院国家授时中心(以下简称国家授时中心)有这样一个研究部门,专门以高精度时间传递和信号传播研究为基础,开展卫星导航授时及其他辅助导航授时与定时技术的研究工作,这就是中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室(以下简称重点实验室)。
  天空满是导航星
  自从人类出现最初的政治、经济和军事活动以来,便有了对导航的要求。
  1990~1991年,在阿拉伯半岛爆发的海湾战争中,多国部队几乎每一种战术操作都离不开卫星导航系统的引导,反观伊拉克军队仅有少量卫星导航设备,明显处于军事弱势。
  进入20世纪后,随着人类科技水平的提高,第一无线电导航系统——无线电信标问世。我国在南海也建立了长河二号南海无线电导航系统,自1990年起正式向国内用户开放使用。
  “我的专业是无线电导航技术与方法,来到国家授时中心读硕士和博士研究生时,选择了时频和卫星导航两个专业。”国家授时中心副研究员邹得才目前在重点实验室工作,他告诉《中国科学报》记者,“罗兰C导航、基于正交频分复用超宽带(OFDM-UWB)技术的室内精密定位导航、卫星导航,这三类都是无线电导航。”
  邹德财介绍了罗兰C导航主要用于海上,陆地也可以使用。他目前主要开展上述的第二类无线导航系统——OFDM-UWB导航的研究,也是“863”计划项目。
  卫星导航,是接收导航卫星发送的导航定位信号,并以导航卫星作为动态已知点,实时测定运动载体的在航位置和速度,进而完成导航。在第一颗人造地球卫星于1957年10月入轨运行的次年,美国科学家就开始进行卫星导航系统的研究,人造地球卫星的重要应用,即全球无线电导航。
  目前,已经投入运行的有美国全球定位系统GPS和俄罗斯的全球导航卫星系统,正在建设的有欧洲的全球卫星导航定位系统,和中国的北斗全球定位系统。
  其中,北斗全球定位系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。空间段由5颗地球静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成。
  评估空间信号质量
  导航系统的地面段由主控站、注入站和若干监测站组成。
  其中,主控站主要任务是收集各个监测站的观测数据,进行数据处理,生成卫星导航电文和差分完好性信息,完成任务规划与调度,实现系统运行管理与控制等。
  注入站主要任务是在主控站的统一调度下,完成卫星导航电文、差分完好性信息注入和有效载荷的控制管理。监测站接收导航卫星信号,发送给主控站,实现对卫星的跟踪、监测,为卫星轨道确定和时间同步提供观测资料。
  国家授时中心副研究员王雪说:“由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差,大气对流层、电离层对信号等影响,使得民用GPS的定位精度只有100米。”
  在国际上,国际全球连续监测评估系统(iGMAS)正在建立一个全球分布的全球卫星导航系统(GNSS)信号跟踪网络,通过多GNSS高精度接收机和高增益全向天线,监测GNSS 的服务性能和信号质量,为全球广大用户提供服务。iGMAS国内跟踪站建设由中国科学院国家授时中心牵头。
  2009年,国家授时中心作为第三方机构,由重点实验室派出成员参与北斗全球定位系统空间信号评估,王雪便是其中一员。
  同年,国家授时中心在西安临潼建成了中国首个北斗空间信号质量监测与评估系统,包含7.3m孔径的天线。新的40m孔径天线正处于研发中,预计将于2014年在西安市安装。
  “1月进行评估的建设论证,我们从2月开始实施,到4月建成北斗空间信号质量监测与评估系统。”王雪表示,“不到两个月的时间里,我们几乎处于日夜赶工状态,最终顺利完成了这项任务。”
  为精度出一份力
  在重点实验室里,有来自物理电子学、无线电技术与信息系统、计算机软件、应用数学、通信与信号系统等多学科领域的研究人员。“这些专业在我们这里都用得上。”国家授时中心副研究员成芳说。
  成芳本科专业是应用数学,硕士专业是卫星导航,博士至今从事的是通信研究,主要开展卫星导航的数据处理和算法分析,并且逐步参与一些项目。“我跨越了3个学科,但最终都是希望能提高我们的卫星导航系统的精度。”
  在卫星导航系统中,最重要的指标是精度。因为GNSS与其他导航手段相比较,其最大的优势是高精度、全天候和全球化。这些年来,卫星导航系统精度在不断提高。
  去年的统计数据表明,美国为提高GPS控制精度,适应GPS现代化的需要,地面控制站已经增加到12个,并最终将达到19个,分布在世界各地,以期保证在全球范围内对每颗在轨卫星至少有两个站对其实施连续的实时跟踪观测。
  我国为进一步提高定位精度,北斗系统计划在中国建设北斗地基增强网。北斗地基增强系统将开拓北斗精密定位应用,提高北斗系统服务能力和竞争力。
  成芳在今年5月曾参与了一次北斗地基增强系统的建设,也是一项时间紧、任务重的工作,但成芳和来自重点实验室的成员们仍然在几天的时间内,完成了4个城市的调试工作。
  近年来,北斗地基增强系统正在全国各地普遍建设推广,将更好地满足北斗系统精密定位用户和导航用户的要求。重点实验室也将继续发挥自己的作用,为北斗建设贡献自己的一份力。
                                            (原载于《中国科学报》 2013-12-17 第8版 平台)
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