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云招募 | 蔡毅:北斗地基增强系统与应用解析

2020-07-31 17:38:28 来源:时刻头条
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为了进一步提高北斗卫星导航系统的服务性能,提升国际竞争力,我国开展了北斗地基增强系统的研制建设,通过修正导航卫星在轨运行的轨道误差、星上原子钟精度的离散度、卫星导航信号传播至地面接收机过程中受大气环境的不利影响等方法,使北斗卫星导航系统的定位精度得到大幅度提高。

一、北斗三号卫星导航系统

北斗是独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠、覆盖全球的卫星导航系统。

北斗三号卫星系统从2017年11月到2020年6月(历时31个月)进行建设,2017年11月5日,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭“一箭双星”成功发射第1、2颗北斗三号导航卫星,开启了北斗卫星导航系统全球组网的新时代;2020年3月9日,我国成功发射北斗三号卫星导航系统第29颗卫星; 2020年6月23日,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功发射北斗三号卫星导航系统第30颗卫星——最后1颗地球静止轨道卫星,至此,全面完成北斗三号星座部署。

图1  2020年6月23日,最后1颗北斗三号导航卫星发射成功北斗三号卫星星座由3颗地球静止轨道卫星(3-GEO)、3颗倾斜地球同步轨道卫星(3-IGSO)和24颗中圆地球轨道卫星(24-MEO)共计30颗北斗卫星组成。

二、北斗卫星导航

(1)时间、空间对自然的影响

自然现象表明:感知时空和把握时空,是生命存在和演化的物理和信息基础和保证。

全球候鸟迁徙的飞行路线,候鸟在全球活动的时间和范围远超过我们人类。每年7月到10月,如约而至的在非洲马赛马拉草原都会上演世界上最壮观的自然奇观——数以百万计的动物大迁徙。鲑鱼洄游也令人惊叹不已,它们第一次离开深入陆地淡水河的出生地进入海洋,长大后再第一次洄游到出生地产卵然后悲壮死去,它们在海洋中如何进行定位、导航洄游到出生地的问题值得我们探讨。

(2)时间、空间对人类的影响

庄子说:“上下四方为宇,古往今来为宙”。宇是空间,宙是时间。

自然现象表明:感知时空和把握时空的本领,是生命存在和演化的基本条件。人类进步的历程表明:掌握和应用时空的能力和程度,是社会生产力发展的标志。

几乎所有的信息都会与时空关联,甚至与时空关联后才有价值。时至今日,时间都决定着我们的生活方式。先秦时期《击壤歌》曰:日出而作,日入而息,凿井而引,耕田而食。这是从时间维度对农耕文明的朴素描述。

中国人在3000多年前的周朝开始使用日晷计时,建立了计时器、计时系统。如何制造计时精度更高的计时器,从古至今一直是人类高科技发展的一个前沿领域。日常生活中使用钟表计时,使用无线电广播授时,计时精度1秒,使用电子表计时,精度0.01秒。在通信、电力、金融、航天、航空、计算机、无线电、电子信号高精度测量、自动控制等许多行业和领域,需要毫秒、纳秒的授时精度。

人们建立了对地球位置的绝对表达方式。以前,精确获取地球上每一点的位置需要进行复杂的测量工作。现在使用北斗/GNSS接收机,很容易精确获取地球上某一点的位置、时间,这演化出导航——你从哪里来?要到哪里去?卫星导航就是提供人们活动所需的位置、导航、授时服务。

三、北斗卫星导航系统应用服务体系

2019年12月27日,中国卫星导航系统管理办公室发布了《北斗卫星导航系统应用服务体系(1.0版)》,北斗以最便捷、最快的方式向全球提供定位、授时、全球短报文通信、国际搜救、星基增强、地基增强、精密单点定位、区域短报文通信服务。

在北斗卫星导航系统应用服务体系中,北斗卫星导航系统提供的定位精度10米,地基增强系统提供的定位精度可提高到2米、1米、5分米、5厘米、5毫米(后处理),形成对北斗应用精度的全覆盖。

四、北斗地基增强系统

北斗地基增强系统是北斗系统的重要组成部分,由北斗增强站网、数据处理系统、数据播发系统组成,实现对北斗定位精度的增强,满足政府、行业、大众等对高精度导航、定位等需求。

北斗地基增强系统数据处理中心的架构包括:

国家数据综合处理中心通过多种播发手段提供米级、分米级、厘米级和毫米级(后处理)高精度定位服务。

交通、测绘、气象、地震、国土和中科院六部委行业数据处理中心提供行业应用服务。

图2  北斗地基增强站的分布五、北斗地基增强系统服务的应用场景

图3  北斗高精度的应用场景(1)交通行业应用情况

开发了应用软件和服务测试评估子系统。

采集制作了公路高精度车道级导航数据,车道线特征点坐标精度小于20cm,具有监视连续并线违章等行为的能力。

利用北斗地基增强系统提供的高精度定位服务,支持评估车道级导航应用。

(2)气象行业应用情况

实现全国水汽总量和电离层电子浓度总量准实时监测。

北斗、GPS监测的水汽总量与探空仪相比,测试结果一致。

(3)地震行业应用情况

在山东荣成、宁夏盐池、河北唐山等地进行测试结果表明:北斗地基增强系统增强站的测量精度达到毫米级,已具备高精度观测地壳运动的能力。

(4)国土资源行业应用情况

在四川乐山、雅安开展了野外导航、位置信息采集、地质体测量等应用示范。

北斗地基增强系统可满足示范区1:5万~1:25万野外地质调查工作需求。

(5)精细农业应用情况(厘米级)

由飞控手人为操纵植保无人机喷洒农药,容易受到风力、光线、地形等影响,成本高、效率低。

使用厘米级精准定位服务后,植保无人机能够实现自动化精准导航及飞行控制,可昼夜完成农药喷洒,提高工作效率,大幅降低成本。

六、国家出版基金项目《北斗地基增强系统》出版

由蔡毅总师牵头撰写的国家出版基金项目《北斗地基增强系统》已经由国防工业出版社正式出版发行。该书系统总结了作者团队多年承担北斗地基增强系统研制、设计、建设任务的自主创新经验和成果,并在独立自主设计的、核心设备全部国产化、具有自主北斗地基增强系统建设标准、设计文件的基础上撰写而成。内容反映理论、技术和应用的原创成果,涉及北斗地基增强系统研制、设计、建设、应用和标准的方方面面,读者从中可以获得系统完整的相关知识。

该书由北斗卫星导航系统工程总设计师杨长风签名作序,副总设计师杨元喜院士、谢军研究员共同推荐。(来源:新浪科技)

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