全球導航定位系統
全球導航定位系統,通常指能覆蓋全球范圍,為用戶提供全天候、全天時三維位置、速度和時間信息的衛星導航系統。它是現代信息社會不可或缺的空間基礎設施,深刻影響著國防軍事、經濟社會和日常生活的方方面面。
中文全稱:全球導航衛星系統,英文全稱與讀音:GlobalNavigationSatelliteSystem,讀音:英[?ɡl??bl ?n?v??ɡe???n ?s?t?la?t ?s?st?m]
簡稱:GNSS。這是國際通用的專業術語,泛指所有的全球衛星導航系統,也包括它們的增強系統。
核心介紹 編輯本段
GNSS的基本工作原理是空間段的多顆衛星持續向地面發射包含衛星軌道位置和精確時間信息的導航信號。用戶端的接收機通過接收多顆(通常至少4顆)衛星的信號,計算出信號從衛星傳播到接收機的時間,從而解算出接收機在地球上的經緯度、海拔高度以及精確的UTC協調世界時。它具有全球性、全天候、高精度、高效率等顯著特點。
二、全球導航定位系統有哪幾個&全球六大導航系統&五大衛星導航系統
這幾個問題本質是同一核心的不同表述。通常,我們按系統覆蓋范圍和服務能力,將其分為兩大類:全球系統和區域/增強系統。
1.四大全球核心系統(通常所稱的“四大”或“五大”系統)
這是GNSS的核心組成部分,具備全球服務能力。
美國的GPS:由美國軍方研制和維護,是最早建成并投入使用的全球導航系統,向全球提供免費服務。
俄羅斯的GLONASS:由俄羅斯研發,其特點是抗干擾能力強,尤其在較高緯度地區性能更優。
歐盟的Galileo:由歐盟主導的民用控制系統,設計精度高于GPS,尤其在安全性、可靠性方面有突出優勢。
中國的BDS:由中國自主研發建設,是繼GPS、GLONASS之后第三個成熟的全球衛星導航系統。其特色是集成了導航與通信功能,具備短報文等獨特服務。
(“五大”的說法有時會包含日本的QZSS,但其本質是區域增強系統,并非獨立的全球系統。)
2.區域及增強系統(構成“六大”或更多系統)
這些系統本身不能獨立提供全球服務,但通過少量衛星或地面增強,顯著提升了特定區域內的導航性能。
日本的QZSS:主要服務于日本及亞太地區,通過發射與GPS兼容且更強的信號,改善城市峽谷等地區的定位可用性和精度。
印度的IRNSS:又名NavIC,是一個獨立的區域導航系統,主要覆蓋印度及其周邊約1500公里的區域。
因此,全球六大導航系統通常指:GPS、GLONASS、Galileo、BDS、QZSS、IRNSS。
全球導航定位系統不包括哪個國家
這個問題需要從“獨立擁有和控制全球導航系統”的角度來回答。目前,能夠獨立擁有、控制并提供全球覆蓋服務的國家/實體只有四個:美國、俄羅斯、中國、歐盟。
因此,許多科技和經濟強國,如日本、印度、英國、加拿大、澳大利亞等,雖然深度應用并參與了某些系統的建設(如日本和印度擁有自己的區域系統,歐洲多國參與了Galileo),但它們并不獨立擁有和控制一個全球性的導航定位系統。特別是英國在脫歐后,失去了對Galileo系統的完全訪問權,正在計劃建設自己的衛星導航系統。
系統原理 編輯本段
GNSS的定位原理是三邊測量術和時間同步的結合。
1.衛星播發信號:每顆衛星都搭載了極其精確的原子鐘,并持續廣播包含自身精確空間位置和信號發射時間的無線電信號。
2.接收機測量距離:用戶接收機接收到信號后,通過比對信號到達的時間與衛星發射的時間,計算出信號傳播的時間差。將這個時間差乘以光速,就得到了接收機到該衛星的偽距。
3.解算位置:理論上,通過測量到3顆衛星的距離,就可以通過三個球面的交匯點確定用戶的三維位置(經度、緯度、高度)。
但由于接收機使用的是成本較低的時鐘,與衛星的原子鐘存在鐘差。這個鐘差會引入巨大的誤差。因此,需要將鐘差作為第四個未知數。所以,接收機需要同時接收到至少4顆衛星的信號,建立四個方程,從而一并解算出用戶的三維坐標和精確的鐘差。
系統組成 編輯本段
任何一個完整的GNSS都包含三個核心部分:
空間段:由分布在特定軌道上的多顆導航衛星組成的星座。例如,GPS需要24顆衛星來實現全球覆蓋,而中國的BDS則由中圓地球軌道、地球靜止軌道和傾斜地球同步軌道衛星混合組成,以提供更優的服務。
地面控制段:由主控站、注入站和監測站組成的地面網絡。負責追蹤衛星、計算其精確軌道參數(星歷)和時鐘修正量,并將這些數據上傳給衛星,確保衛星播發的導航信息是準確的。
用戶段:即各種類型的衛星導航信號接收機。它們存在于手機、汽車、船舶、飛機和專業測量設備中,負責接收衛星信號并解算出最終的位置、速度和時間信息。
拓展知識 編輯本段
一、北斗全球導航定位系統
系統特色:
1.三種軌道混合星座:這是北斗的獨有設計,能提供更好的覆蓋性能,尤其在亞太地區。
2.導航與通信融合:是全球首個集導航、通信(短報文)于一體的系統。用戶不僅能定位,還能發送簡短消息,在救災、通信中斷等極端情況下意義重大。
3.高精度服務:提供面向行業的厘米級、毫米級實時動態定位服務和面向大眾的米級定位服務。
發展歷程:從1994年啟動北斗一號建設,到2020年完成北斗三號系統部署,正式為全球提供服務。
二、GPS定位
主導地位:GPS是目前全球應用最廣泛、生態系統最成熟的系統,是GNSS的代名詞。
軍民兩用:提供兩種服務:標準定位服務(民用,精度約5-10米)和精密定位服務(軍用,精度更高)。通過廣域和局域增強系統,其民用精度可提升至厘米級。
現代化進程:正在推進GPSIII系列衛星的發射,旨在提供更強大的信號、更高的精度和更好的抗干擾能力。
三、其他相關擴展知識
A-GNSS:輔助全球衛星導航系統。通過移動通信網絡向接收機提供衛星星歷等輔助信息,能大幅縮短首次定位時間,并提升在弱信號環境下的定位能力。
RTK:實時動態差分定位技術。通過基準站和流動站的協同工作,能實現厘米級甚至毫米級的高精度實時定位,廣泛應用于測繪、無人機、精準農業等領域。
PNT體系:定位、導航、授時體系。未來,GNSS將與慣性導航、Wi-Fi定位、地磁導航等多種技術融合,構建更加resilient(有彈性)、可靠、安全的綜合PNT體系,以應對GNSS信號易受干擾和欺騙的脆弱性。
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