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揭“北斗”奥秘:两颗卫星发送询问信号

北斗系统最大的用户数为每小时540000户,用于短报文通信时,用户终端具有双向报文通信功能,用户可以一次传送40个至60个汉字的短报文信息;用于精密授时时,可向用户提供20ns至100ns时间同步精度;用于定位精度时,水平精度100米(1σ),设立标校站之后为20米(类似差分状态)。

  2011年12月27日上午10时,国务院新闻办公室就北斗卫星导航系统试运行情况举行新闻发布会。北斗卫星导航系统的新闻发言人、中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其宣布,北斗卫星导航系统将于今天正式提供试运行服务,并且郑重地承诺,北斗卫星导航系统向全世界提供免费的服务。这是一个令人振奋的消息,它意味着中国在导航方面的信息安全今后不再受制于人,而将完全信赖于自己的技术支持和保障。

  北斗卫星导航系统﹝BeiDou(COMPASS)Navigation atellite System﹞是中国自主研发、独立运行的全球卫星导航系统,与美国GPS、俄罗斯格罗纳斯、欧盟伽利略系统并称全球四大卫星导航系统。其目标是建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠覆盖全球的导航系统,形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系,推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。

  北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务,包括开放服务和授权服务两种方式。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务,定位精度10米,测速精度0.2米/秒,授时精度10纳秒。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户,提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。

  编织“北斗”网

  卫星导航系统是重要的空间信息基础设施,中国一直在努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。2000年,首先建成北斗导航试验系统,使我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域,产生显著的经济效益和社会效益。特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。为更好地服务于国家建设与发展、满足全球应用需求,我国启动实施了北斗卫星导航系统建设。

  北斗卫星导航系统的建设与发展,以应用推广和产业发展为根本目标,不仅要建成系统,更要用好系统,强调质量、安全、应用、效益,遵循以下建设原则:

  一、开放性。北斗卫星导航系统的建设、发展和应用将对全世界开放,为全球用户提供高质量的免费服务,积极与世界各国开展广泛而深入的交流与合作,促进各卫星导航系统间的兼容与互操作,推动卫星导航技术与产业的发展;二、自主性。中国将自主建设和运行北斗卫星导航系统,北斗卫星导航系统可独立为全球用户提供服务;三、兼容性。在全球卫星导航系统国际委员会(ICG)和国际电联(ITU)框架下,使北斗卫星导航系统与世界各卫星导航系统实现兼容与互操作,使所有用户都能享受到卫星导航发展的成果;四、渐进性。中国将积极稳妥地推进北斗卫星导航系统的建设与发展,不断完善服务质量,并实现各阶段的无缝衔接。

  自2000年以来,中国已成功发射了6颗“北斗导航试验卫星”,建成北斗导航试验系统(第一代系统)。这个系统具备在中国及其周边地区范围内的定位、授时、报文和GPS广域差分功能,并已在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥重要作用。

  中国正在建设的北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成,提供两种服务方式,即开放服务和授权服务(属于第二代系统)。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务,定位精度为10米,测速精度0.2米/秒,授时精度为10纳秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。

  中国原计划在2012年左右“北斗”系统将覆盖亚太地区,这一步现已基本完成。下一步计划2020年前后覆盖全球,建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。

  “北斗”的奥秘与用途

  北斗卫星导航系统的工作过程是:首先由中心控制系统向卫星I和卫星II同时发送询问信号,经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号,并同时向两颗卫星发送响应信号,经卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号,然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。对定位申请,中心控制系统测出两个时间延迟:即从中心控制系统发出询问信号,经某一颗卫星转发到达用户,用户发出定位响应信号,经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟;和从中心控制发出询问信号,经上述同一卫星到达用户,用户发出响应信号,经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的,因此由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离,以及用户到两颗卫星距离之和,从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面,和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值,又可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标,这个坐标经加密由出站信号发送给用户。

  该系统最大的用户数为每小时540000户,用于短报文通信时,用户终端具有双向报文通信功能,用户可以一次传送40个至60个汉字的短报文信息;用于精密授时时,可向用户提供20ns至100ns时间同步精度;用于定位精度时,水平精度100米(1σ),设立标校站之后为20米(类似差分状态)。

  北斗卫星导航系统应用范围十分广泛,将它应用于国防,能使作战效能提高100倍至1000倍,作战费效比提高10倍至50倍,大大提高国防能力和减少国防经济的负担。在陆地交通中其用途更多,“北斗”在智能交通、路况信息管理、道路堵塞治理、车辆监控和车辆自主导航等方面有着广泛的应用前景,比如配上接收机,可以准确地知道他的位置,并告诉公安系统包括监护者,从而实现实时监控;如在小学生佩戴的校徽里面加上芯片,任何时候都能知道他在哪里,而且这个信息可以通报给家长、公安局和教育局。北斗的实时精密定位还将被应用在土地和农田的整理与管理上,将“北斗”终端装在拖拉机和收割机等农业机械上,能够以0.1米的定位精度实现对农田的精密耕作。北斗卫星导航系统还可用于监控土木工程的建设,比如对楼体建设监控:高楼搭建时钢架结构稳定不稳定?两个钢架在一点交会的时候,那个地方变形会很大,可以达到十几个毫米,超过一定的变形就会垮,所以在施工过程中要予以严密的监控;比如对高铁建设及运行的监控,北斗系统可精确地监测出高铁路基的沉降,为高铁的运行管理和运行安全实时提供可靠的数据。(亚敏)

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