人造卫星相关技术

浅谈人造卫星相关技术摘要：本文针对定位、导航和载波相位差分等人造卫星技术进行深入浅出的介绍，使大家对卫星技术有所认识和了解。关键词：定位技术导航技术rtk在科学技术高速发展的今天，人造卫星技术越来越被广泛的运用的各个领域当中。本文针对定位、导航和载波相位差分等人造卫星技术进行深入浅出的介绍，使大家对卫星技术有所认识和了解。一、gps卫星定位系统为了满足军事及民用部门对连续三维导航的需求，1973年12月美国国防部批准研制新一代导航系统，即为目前的“授时与测跷导航/全球系统”（navigationsatellitetimingandranging/globalpositioningsystem,navstar/gps）,通常称之为全球定位系统（gps）。gps系统的建设分三个阶段实施：第一阶段是系统原理、方案研究（含设备研制）阶段（1973-1979年）；第二个阶段是工程开发和系统试验阶段（1979-1987年）；第三阶段是系统生产、部署和应用研究阶段（1988-1993年）。在gps系统设计之初，美国国防部的主要目的是在陆海空提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通信等一些军事目的。但是对gps的应用开发表明，用gps信号可以进行厘米级甚至毫米级精度的静态定位、米级甚至亚米级精度的动态定位、亚米级甚至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。因此，gps系统展现了极其广泛的应用前景。与其他导航系统相比，gps系统的特点如下：1.功能多、用途广用gps信号可以进行车辆引航、导航制导、精密定位、工程测量、动态观测、设备安装、时间传递、速度测量等，而且其应用领域还将继续扩大。2.定位精度高gps可为各类用户连续提供动态目标的三维位置、三维速度及时间信息，其精度如表1所示。表1gps的定位、测速与测时精度3.立即定位利用全球定位系统进行导航，即可实时确定运动目标的三维位置和速度，这样不但可实时保障运动载体沿预定航线运行，亦可选择最佳航线，特别是对军事上动态目标的导航，具有十分重要的意义。二、glonass卫星导航系统全球卫星导航系统（globalnavigationsatellitesystem，glonass）由前苏联研制，起步比美国晚9年。从前苏联于1982年10月12日发射第一颗glonass卫星开始，到1996年，13年内历经周折，虽然遭遇了前苏联解体，由俄罗斯接替部署，但始终没有中止或中断glonass卫星的发射。1995年初只有16颗glonass卫星在轨工作，1995年进行了3次成功发射，将9颗卫星送入轨道，完成了24颗卫星的布局。经过数据加载、调整和校验，整个系统于1996年1月18日正常运行。至2009年3月，glonass系统已经有20颗卫星投入运行，第一颗第三代的glonass卫星（glonass-k）也将于2009年发射升空。照目前进度看，glonass系统将在2011年完成30颗卫星的覆盖。与gps系统的c/a码和p(y)码类似，glonass卫星同时发射标准精度（sp）和高精度（hp）两种信号，hp信号和sp信号作为信号的i、q两路，共享相同的载波频率，但hp信号的带宽是sp信号的10倍。俄罗斯对glonass系统采用了军民合用、不加密的开放政策。与美国的gps系统不同的是glonass系统采用频分多址(fdma)方式，所有的glonass卫星都采用同一个码，根据载波频率来区分不同卫星（gps是码分多址（cdma），根据调制码来区分卫星）。所有gps卫星的载波的频率是相同的，均为l1=1575.42mhz和l2=1227.6mhz。glonass的载波频率（l1）以1602mhz为中心，不同卫星的频率间隔为562.5khz。每颗glonass卫星发播的两种载波的频率分别为l1=1,602+0.5625k(mhz)和l2=1,246+0.4375k(mhz)，其中k=1～24为每颗卫星的频率编号。整个glonass系统以562.5khz的频率间隔分为15的信道。由于完整星座的卫星数量为24，因此部分卫星会采用相同的载波频率。通过轨道分布，系统让处于相对位置的一对卫星使用相同载波频率，从而确保采用相同载波频率的卫星不会同时出现在地球上任何位置的上空。glonass系统的sp信号可提供水平57-70米、垂直70米的定位精度、0.15m/s的速度精度、以及1us的定时精度，hp信号的精度更高，但仅对俄罗斯军方开放。除了l1频段外，glonass系统也采用频率为1246mhz的l2频段，该频段的信道间隔为437.5khz。目前，绝大部分的glonass卫星（18颗）在l2频段上也发射和l1频段相同的sp信号，从而使得glonass接收机可以通过双频接收提高定位精度。表2glonass和gps的比较三、rtk卫星载波相位差分技术载波相位差分技术又称为rtk技术(realtimekinamatic)，是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的，它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。与伪距差分原理相同，这种技术也由参考站通过数据链实时将其载波观测量及参考站坐标信息一同传送给用户站。用户站一方面通过接收机接收gps卫星的载波相位，同时通过无线电等设备接收参考站传送的信息，根据相对定位原理组成相位差分观测值进行处理，实时地以厘米级的精度给出用户站三维坐标。1.rtk技术的优点rtk测量技术的测量模式和测量速度、精度较以往的测量方式有很大的变革，其优点主要有：（1）作业效率高，定位效率高,定位精度高,可以实时地求解厘米级的动态位置。减少了传统测量所需的控制点数量和测量仪器的“搬站”次数，作业速度快，劳动强度低，提高了劳动效率。（2）定位精度高，数据安全可靠，没有误差积累，移动站的内置式软件控制系统,无需人工干预便可以实现多种测试功能,使辅助测试工作大大减少,减少人为误差。（3）操作简便，容易使用，数据处理能力强。（4）不要求两点间的光学通视,只要求两点间的“电磁波通视”,因此该技术受通视条件、能见度、气候、季节及地形,地物障碍的影响和限制较小。2.rtk技术的测量精度当一个rtk流动站从参考站接收到标准的rtk数据时，正常条件下，通常能够在30km范围内成功地作业。在某些地方，如果rtk的观测条件非常理想，则能够在40km或更远的距离范围内成功作业。在其他地区，特别是在白天高温时段以及电离层较为活跃期间，rtk成功作业的距离范围将会明显减小。rtk的精度通常用固定误差和比例误差为10mm±10-6*d(d的单位为公里)来表达。现实中的环境是不断变化的，各种影响特别是与电离层延迟、对流层延迟和卫星轨道有关的影响，引起与距离相关的误差，限制了流动站可解算出整周模糊度的作业范围。3.rtk基准站的建设rtk技术的关键在于数据处理和数据传输技术,rtk定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(伪距观测值,相位观测值)及已知数据传输给流动站接收机。在选择gps基准站的位置时，主要需要考虑如下事项：（1）站点应选易于安置接收设备且视野开阔的位置，视场周围高度角在10°以上，不应有障碍物，以免gps信号被吸收或遮挡。（2）站点附近不应有大面积水域或强烈干扰卫星信号接收的物体，以减弱多路径效应的影响。（3）站点应远离大功率无线电发射源（如电视台、微波站等），其距离最好不小于200m；远离高压输电线，其距离不得小于50m,以避免电磁场对gps信号的干扰。（4）提供一个稳定的装置来固定天线。常见的做法是采用适当的方式将gps天线固定在楼顶上，gps接收机、电源和通讯设备(包括pc机)安置在楼顶下的房间里，这样方便连接电源等设备，且楼顶建设基准站的成本较低，也比较容易保证只让授权的相关人员接近这些设备。另外，根据未来实时差分系统的需要，国家交通部海监局在我国沿海从南到北沿海岸线已经建立了20个信标台站（也就相当于差分系统的基准站），这些信标站24小时发送rtcm差分校正信息，而且不收任何费用，其传输距离在内陆是300km的覆盖范围，在海上是500km的覆盖范围。用户端只需要一台移动站的gps就可以实现高精度的实时定位。目前市场上出售的信标/gps二合一接收机是将信标接收机、gps接收机集成为一体的接收机。它的特点是系统极为简单，定位精度高，单机即可得到小于1m的定位精度。4.rtk移动站的设置rtk作业应尽量在天气良好的状况下作业，尽量避免雷雨天气，夜间作业精度一般优于白天。在rtk作业前，首先检查仪器内存或pc卡容量能否满足工作需要，另外由于rtk作业耗电量大，工作前应备足电源。开机后应检验有关指示灯与仪表显示正常，接收机启动后，观测员使用软件查看测站接收卫星数、卫星号、卫星健康状况、各卫星信噪比等信息，如发现异常情况或未预料情况出现时，要及时做出相应处理。5.rtk正常工作必须具备的基本条件(1)基准站和移动站同时接收到5颗以上gps卫星信号。(2)基准站和移动站同时接收到卫星信号和基准站发出的差分信号。(3)基准站和移动站要连续地接收gps卫星信号和基准站发出的信号，即移动站迁站过程中不能关机，不能失锁，否则rtk须重新初始化。6.数据通讯可靠的通讯对于gps参考站的有效运行来说是至关重要的，它主要完成rtk的差分数据传送给rtk移动接收机使用。需要考虑的因素：（1）本地可利用的通讯技术和这些技术的可靠性；（2）gps基准站可以支持的rtk移动站的数量；（3）rtk移动站的作业范围。在系统进行rtk测试时，主要通过三种通讯手段进行基准站和移动站的数据通讯，分别是串口线，pdl电台和无线网卡。使用串口线进行差分数据的输送时的主要优点是数据稳定，可靠性高，但是其作业范围受到很大的限制，并且需要pc机至少有两个串口，一个与gps接收机连，另一串口接收差分信息。pdl电台的传输距离大于串口线，但也受距离的限制。通过无线网络进行差分数据传输时几乎不受距离的限制，但数据可能不稳定，另外网络信号的强弱对数据通讯的可靠性有着很大的影响。三种方法各有利弊，要根据测试的实际需求来选择。