北斗导航系统有多厉害?

北斗导航系统有多厉害?

以7月13日“伽利略”系统的“服务中断”事件为例。

当时根据国际卫星导航监测评估系统(iGMAS)17日发布的最新消息显示,经过117小时零10分的等待,欧盟的“伽利略”卫星导航系统终于在UTC时间7月16日19时恢复服务,并在之后的3小时内,各项参数保持正常。

法新社16日表示,修复时间的延长,表明“伽利略”的故障或许比预想中的要严重一些。根据全球导航卫星系统局14日发表的声明显示,本次“伽利略”服务中断的原因在于“地面基础设施的技术故障”。

而根据慕尼黑联邦国防军大学退休教授、前欧空局卫星导航发展计划负责人海恩(Günter W。Hein)的说法,伽利略系统的故障是由位于意大利富齐诺控制中心的精密定时装置引起的。

伽利略系统24颗在轨卫星全崩溃

自1978年美国发射第一颗GPS卫星以来,经过40年的发展,全世界形成了欧洲的伽利略、美国的GPS、俄国的格洛纳斯以及中国的北斗并行的四个卫星导航系统,其中美国GPS系统精度最高,俄罗斯格洛纳斯号称抗干扰能力最强,中国北斗可以发短信聊天,而欧洲伽利略号称系统最精密。

据悉,伽利略系统由欧洲航天局设计建造,从2011年开始发射首颗卫星,目前已经发射了24颗卫星,按照计划2020年发射完成总计30颗定位卫星,初衷是通过伽利略定位系统向世界提供10米级定位服务,如果一切正常,2020年伽利略系统就将具备与美国GPS全球卫星定位系统可以匹敌的功能。

然而,计划尚未完成伽利略系统就出现了大故障。

有监测数据显示,在此次伽利略卫星系统服务中断时,卫星导航信号的广播星历出了故障。广播星历数据出现故障并且中断运行,这表明现有伽利略系统的24颗在轨卫星全部崩溃,全欧盟陷入困境中。

7月13日各卫星导航系统的星座可用性

颜色越深代表星座可用性越强,白色代表不可用。

伽利略系统

北斗系统

俄罗斯格洛纳斯系统

美国GPS系统

注释:2020年北斗三号系统全面建成之后,白色区域就会被填充了

星历缺失,是什么意思?

卫星星历是以开普勒定律的6个轨道参数之间的数学关系确定飞行体的时间、坐标、方位、速度等的各项参数,其具有极高的精度。

卫星星历能精确计算、预测、描绘、跟踪卫星、飞行体的时间、位置、速度等运行状态,能表达天体、卫星、航天器、导弹、太空垃圾等飞行体的精确参数,将飞行体置于三维的空间,用时间立体描绘天体的过去、现在和将来。

从卫星导航原理上我们知道,卫星导航系统的精度是基于自身轨道、时间等参数的精准信息,这些信息将通过GNSS星历广播给用户。在上面所述的伽利略系统出现的故障中,全系统是无法向用户更新卫星的各个参数的。

值得一提的是,伽利略卫星导航系统不仅仅是一款民用的定位系统,同时还广泛应用于欧洲国家的军事体系中,一旦该系统出现故障,欧洲国家的通讯指挥和导弹精确定位都将无法正常实施,欧洲国家的情报侦察将造成极大影响。

虽然“伽利略”系统目前还处于试运行状态,但如今出现了重大问题,这对欧洲国家来说无疑在市场信心上是一个打击,对其将来应用和推广也会造成很大困难。

整星座故障是非常重大的事件,不过大家似乎并没有这方面受到影响的感觉,这应该感谢多系统带来的好处。

目前正运行的全球系统有GPS、北斗、GLONASS和Galileo,加上日本和印度的区域导航系统,在轨导航卫星已经超过100颗。有这么多的在轨导航卫星,对于接收机在卫星选择上就可以做冗余策略的可能。

“伽利略”崩溃疑似甩锅北斗?

对于本次事故的原因,全球导航卫星系统局14日发表的声明显示是地面控制系统的故障导致。但也有一些声音认为,伽利略系统失效的原因,与卫星频率有关,甚至将伽利略系统失效的原因,与北斗的频率之争联系在一起。

据了解,中国的北斗L频段可使用频率近70兆赫兹,比GPS和伽利略分别少12兆赫兹和2兆赫兹。考虑到这一现状,中方曾要求和伽利略合作,希望共用一些频率,但是遭到伽利略系统拒绝。

在卫星导航系统建设初始阶段,频率资源相对比较充沛,建设时间较早的GPS系统和GLONASS系统不存在频率资源的冲突问题。到了北斗系统和“伽利略”系统建设的时候,频率争夺战就非常明显了。根据国际电信联盟“先占先得”的规定,哪一个国家能够先把这颗卫星发射上去,并且卫星向下发射这个频率的信号,以后这个频率资源就是他的了。然而恰逢欧洲出现了经济危机,“伽利略”系统资金链断了。当时“伽利略”系统提前申请了频率资源,并发射卫星占领了轨位。但是卫星并没有开通,只是占了轨道但没占频率。此时我国科学家创造性将S波段也划出一部分作为新的导航定位无线电频谱资源,克服重重困难在2012年世界无线电大会(WRC-2012)上获得通过。

至此,我国在该频段上,具有了优先使用权限,并应用在在北斗一号、北斗二号卫星上。由于中国北斗卫星占领了相应频段,欧洲伽利略系统曾不得不与我方进行谈判,协调有关卫星频段事宜,因此引起某些外媒的无端揣测。

此处插播一段伽利略系统跟中国的恩怨情仇

实际上,欧洲在卫星导航领域的“伽利略”计划伊始就有深刻的政治考虑,目的是摆脱对美国全球定位系统的依赖,为此欧洲人主动邀请中方加入全球卫星导航系统,双方一拍即合。

就这样,2003年中欧草签合作协议,中国成为了第一个加入“伽利略计划”的非欧盟国家,而且将拥有这一系统的部分所有权和全部使用权。为此,中方承诺投入2.3亿欧元的巨额资金,第一笔7000万欧元很快就打到欧方账户上。

然而,进入2005年,欧洲政治开始转向,之前“亲华”的德国总理施罗德黯然退隐,默克尔上台,法国的萨科齐也代替希拉克崛起。亲美政治人物纷纷上台,让欧洲迅速向美国靠拢,在美国人同意在技术上支持伽利略的引诱下,欧洲对华政策发生了180度大反转,中国虽然是投资方,却惨遭排挤,不仅在技术上被封锁,而且还进不到伽利略计划的决策机构。

无奈之下,我国退出伽利略导航系统研制计划,着手独立自主开发北斗导航系统。经过辛苦的攻关,反而后来居上,先于伽利略5年发射卫星升空。如今,北斗三号基本系统建成,提供全球服务,彰显出中国航天实力跃升。

北斗系统的五个显著特点

第一,是三种工作频率。北斗使用的是三频信号,GPS使用的是双频信号,这是北斗的后发优势。三频有利于提升抗电离层的干扰,提高定位可靠性。

虽然GPS从2010年5月28日发射了第一颗三频卫星,但等到GPS卫星全部老化报废更换为三频卫星还要好几年。

第二,是有源定位及无源定位的结合。有源定位就是接收机自己需要发射信息与卫星通信,无源定位不需要。有源定位的好处是当你观测的卫星质量很差,仍然可以定位。坏处是在战争中会暴露你的位置信息。

孙家栋院士说:“有源与无源两种体制的结合,是中国北斗的最大特色和亮点,也是中国北斗的优势所在。”“北斗是八万多人干了20多年,我们走了一条绝无仅有的路,别人都没走过的,我们走成了。”北斗二号总设计师助理郭树人说。

第三,短报文系统。北斗的独门绝活。基于这个功能,北斗不但能知道我在哪,还能让别人知道你在哪。这个功能有利于求救。汶川大地震让大家看到了北斗的优势,震区唯一的通讯方式就是北斗一代。

第四,建设开通速度。对比伽利略系统,北斗的建设速度快。此外北斗采取分步开通,而GPS之类必须整个系统建成后才能使用。北斗在创新的空间星座支持下,仅仅发射了16颗卫星,就于2012年12月27日在亚太地区正式开通运行,这有利于加快北斗的商用进程。

第五,三种轨道。目前另外三个全球卫星定位系统都采用距离地面20000千米左右的中圆卫星轨道,而北斗是唯一采用三种轨道搭配的星座:27颗卫星处在距离地面21500千米的中圆轨道,分布在三个轨道面上,保持55度倾角;5颗卫星采取赤道上空35800千米高的地球静止轨道;3颗卫星处在地球同步轨道(也接近35800千米高)、保持约55度倾角。

北斗的地球静止轨道和倾斜同步轨道是为中国乃至亚太地区特殊定制而来。亚太地区可以几乎永久保持至少12颗卫星可见,大幅提高该区域定位精度。

2018年,我国一口气部署了17颗北斗第三代导航卫星,同样在年底,中国宣布“北斗三号”基本系统开始提供全球服务。

按照北斗35颗卫星的设计布局,今年是北斗建设史上最核心的一年,10箭18星,也创下了全球卫星导航系统组网最快纪录。世界四大系统中,美国GPS系统最快纪录为一年6星,苏联/俄罗斯格洛纳斯系统为一年9星,欧洲伽利略系统为一年6星。

最后,一个福利——

北斗卡目前可以免费申请

在民航管制空域和监视空域内飞行的通用航空器,可以使用此北斗卡实现实时位置报告和短报文通信服务,以有效避免民航地基通信、监视台站可能存在的信号盲区问题。利用此短报文通讯服务覆盖亚太地区,可为民航用户提供不依赖于地面基站网络的卫星通讯,能够用于航空器的位置监视、应急通信、遇险报警等领域。对于在民用航空使用空域范围内或者对以上空域内运行存在影响的民用无人驾驶航空器飞行活动,若无其他有效地空数据传输链路,也建议使用此北斗用户卡进行位置报告,实现轨迹跟踪等功能。

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联系单位:中国民航科学技术研究院

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联系方式:孟培娟 010-64473310