現代定位導航系統的研究

摘 要：隨著社會的快速發展，導航定位技術在人們日常生活中扮演的角色越來越重要。文章主要就定位系統中應用廣泛的航位推算系統和衛星導航系統的發展現狀、應用及前景進行討論研究。

關鍵詞：航位推算系統；衛星導航系統；GPS；GPS/DR系統

1 航位推算系統

航位推算是一種典型的獨立定位技術，系統是在已經知道前一時刻位置的條件下，通過測量移動的距離和方位，推算下一時刻位置的方法。

航位推算算法最初用于車輛、船舶等的航行定位中，所使用的加速度計、磁羅盤、陀螺儀成本高、尺寸大。隨著微機電系統技術的發展，加速度計、數字羅盤、陀螺儀尺寸、重量、成本都大大降低，是航位推算可以在行人導航中得以應用。

2 衛星導航系統

2.1 研究現狀

衛星導航技術是利用導航衛星發射的無線電信號，求出載體相對衛星的位置，再根據已知的衛星相對地面的位置，計算并確定載體在地球上的位置的技術。

現階段的衛星導航定位系統綜合了傳統導航系統的優點，真正實現了各種天氣條件下全球高精度被動式導航定位。并由于其具有地面連續覆蓋、定位精度高、保密性及實時定位速度高、并且操作簡便和實施全天候作業等優點，在各導航系統中的應用日趨廣泛。但同時仍存在易受外界環境干擾等缺點。

2.2 全球定位系統

2.2.1 概述

全球定位系統（Global Positional System-GPS）是美國于上世紀七十年代開始研制，歷時二十多年，耗資兩百億美元，至1994年全面建成。GPS系統是新一代衛星導航定位系統，具有在海陸空進行全方位、實時、三維導航與定位的能力。其由24顆覆蓋全球的衛星組成，其中21顆工作衛星、3顆備用衛星，分布在6個地心軌道平面內，每一個軌道均勻分布4顆衛星。能在全球范圍內全天候的提供三維位置、三維速度和時間基準信息，具有靜態定位、動態導航及精密授時的功能，是一種先進的導航設備，定位精度極高，且具有很好的長期穩定性。隨著二十世紀初美國軍方放棄了對SA碼的使用，民用GPS的定位精度得到了較大的提高了，致使GPS技術在民用領域得到了更加廣泛的應用。

2.2.2 GPS的發展

在全球衛星定位系統使用之前，遠程定位與導航主要由無線電系統來實現。其主要有三種方式，分別為：羅蘭-C系統（Long Rang Navigation），又稱低頻脈相雙曲線導航系統；奧米伽（Omega）導航系統，是由慣性導航系統、奧米伽導航系統和衛星導航系統組合成的綜合導航系統；多普勒（Doppler navigation）導航系統，它是利用多普勒效應測定多普勒頻移，從而計算出飛機當時的速度和位置來進行導航。以上三種無線電導航定位系統都存在工作區域覆蓋面小、電波傳播容易受到大氣影響及定位精度較低的缺點。

最早的衛星定位系統為子午儀導航系統（Transit），1958年由美國研制成功，1964年投入使用。子午儀導航系統共擁有7顆衛星，而衛星的運行高度比較低，平均為1000KM，從地面觀測衛星的間隔時間比較長，平均為1.5h，無法實現連續的實時三維導航，且精度不高。

現在應用的全球衛星定位系統是第二代衛星導航系統，是在吸收Transit導航系統的成功經驗的基礎上而發展起來的，包括俄羅斯的全球衛星定位系統（GLONASS）和美國的全球衛星定位系統（GPS）。其中，美國的GPS系統實施計劃分為三個階段。第一階段為方案論證和計劃階段，從1973年到1979年共發射了4顆試驗衛星，研制了地面接收機及建立了地面跟蹤網。第二階段為全面研制和試驗階段，從1979年到1984年又陸續發射了7顆衛星，研制了各種用途的接受機，實驗結果表明，GPS定位精度遠遠超過了設計精度標準。第三階段為實用組網絡階段，1989年2月4日第一顆GPS BlockⅡ工作衛星的成功發射，標志著GPS系統已進入了建設階段。1993年底已經建成實用的GPS網（即21+3GPS星座），今后將會根據計劃逐步更換失效的衛星。

2.2.3 GPS的應用與前景

最初設計GPS的主要目的是用于導航、收集情報等軍事目的。但隨著GPS 衛星信號能夠進行厘米級甚至毫米級精度的靜態相對定位，米級至亞米級精度的動態定位，亞米級至厘米級精度的速度測量和毫微秒級精度的時間測量，GPS的應用也越來越廣泛。

地理應用方面

在地貌學方面，可以利用GPS對地下資源開采區地面的沉降、荒漠化地區進行監測，為荒漠化的機理研究提供資料；對滑坡區、泥石流等形變進行監測，做好防災，減災預報工作。還可以利用GPS對各植被區邊界變化進行監測，從而對植被區發生變化的原因進行研究，為分析該區域或全球的氣候和環境的演變提供理論依據，從而采取相應的保護措施，實現對生態環境的監測及保護。此外，GPS還可應用于對板塊運動的研究，包括對亞板塊和板塊內部構造運動的研究等。

大氣監測及天氣預報方面

GPS信號從真空進入大氣層時將會發生折射，折射量的大小取決于大氣密度。而大氣密度是氣溫和氣壓的函數，而決定天氣的兩大要素正是氣溫和氣壓。如果將GPS接收機安裝在低軌道衛星上，即可測出衛星信號傳播路線的變量，從而推導出由于大氣折射而引起的相位觀測的時延。進一步導出從地球表面到130km高空的各層大氣的氣溫和氣壓的大小。最終根據連續監測獲得的大氣層數據，做出天氣預報。

此外，一系列實驗證明，通過利用GPS技術可以獲得地面至40km高空的水汽含量載面的精確值，該實驗的最大收獲是使全球難以獲取氣象信息數據的區域得以包含其中，從而極大的改善了數值天氣預報（NWP）所需要的氣象數據分辨率，為NWP的進一步改善提供了基礎。此外，GPS 空間氣象學的開端正是起于GPS 在監測電離層方面的作用。太空中充滿了宇宙線粒子、各種波段的電磁輻射、等離子體等，由于太陽在IS內拋出帶電物，通常達百萬噸量級，從而使電離層受到強烈干擾，這正是空間氣象學研究的一個對象。類似于GPS在對流層中的應用，可通過測定電離層對GPS 訊號的延遲作用來確定在單位體積內總自由電子含量（TEC），從而建立電離層數字模型。

交通運輸方面

GPS可以為鐵路、公路、水運、航空、管道等交通方式提供路線選線、建設和管理服務；還可為車、船和飛機等交通工具起導航和管理作用，特別是在航空和航海中，無線路標示時GPS的作用更為突出；此外，GPS在航空中的作用主要有：（1）為飛機提供精密導航；（2）確定飛機姿態角，從而為航測圖片提供內方位因素；（3）測定航攝儀瞬間的空間坐標及航攝儀瞬間坐標的精度；（4）為飛機精密著陸導航。

2.3 北斗衛星導航系統

2.3.1 概述

北斗衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System，COMPASS）是中國自主研發的正在實施的全球衛星導航系統。北斗衛星導航系統包括空間段、地面段及用戶段。空間段由5顆靜止軌道衛星及30顆非靜止軌道衛星組成；地面段由主控站、注入站和監測站等多個地面站組成，用戶段由北斗用戶終端及與其它衛星導航系統兼容的終端。近年來北斗導航系統發展迅速，目前北斗系統已成功發射四顆北斗導航試驗衛星和十六顆北斗導航衛星，基本上實現了覆蓋亞太地區的定位、導航和授時以及短報文通信服務能力。2011年12月27日起，開始向中國及周邊地區提供連續的導航定位和授時服務。2012年12月27日起，北斗系統在繼續保留北斗衛星導航試驗系統有源定位、雙向授時和短報文通信服務基礎上，向亞太大部分地區正式提供連續無源定位、導航、授時等服務。民用服務與GPS一樣免費。不論從國家安全還是從技術發展的角度來看，北斗將成為GPS之外的又一個選擇，甚至在一定時候會取代GPS的地位。但是，目前北斗的覆蓋范圍、定位精度和穩定性離GPS還有一定的差距，且隨著北斗導航系統的發展目前該系統的性能如何仍有待測試。

2.3.2 北斗衛星導航系統的發展與前景

無線電導航原理需要由天基平臺提升作用距離。奧米伽、羅蘭--C導航系統以甚低頻為導航頻率，由于電波傳播路徑受地面曲率和導電性能影響，雖然可以遠距離傳播，但難以校正傳播路徑時延，精度較低。而雷達導航因地面發射功率大，但作用距離短，需要二次發射，精度較低。所以為了提升作用距離、進一步改善傳播路徑，采用衛星平臺搭載導航信號是必然選擇。

北斗全球系統因具有最佳費效比而取代區域系統。中國北斗試驗系統是采用兩顆地球同步衛星實現定位，集通信與導航為一體。靜止軌道衛星導航系統因缺乏通信功能而使得生存能力較差。區域性RNSS系統由GEO衛星和IGSO衛星組成，其星座總效率差，難以提高。星座效率以地球覆蓋率與衛星數之比值作為評價效率，不同區域系統效率見表1，從結果可知，全球系統的星座效率在同等精度水平下最高。

3 組合導航系統

3.1 組合導航系統的形成

由于衛星導航定位具有定位精度、高地面連續覆蓋等優良特性，在導航定位中的應用非常廣泛。但其也易受到外界環境的干擾，尤其是在城市的高樓群區，或是在隧道、立交橋等區域，衛星信號將會被遮擋，造成定位誤差增大或根本無法定位；另一方面衛星導航定位系統的工作頻帶較窄，在機動運動較為復雜時，用于定位的設備接收機極容易失鎖而丟失信號，從而喪失定位能力。而航位推算是一種典型的獨立定位技術，主要利用航向傳感器及距離傳感器實現實時檢測車輛等的航向變化及行駛距離，進而推算出當前的相對位置，但航位推算方法的定位誤差會隨著推算過程的進行而累加，因而不適合于長時間使用。由上可知，兩種定位方式存在很強的互補關系，一方面，可利用衛星定位提供的絕對位置信息為DR提供推算定位的初始值并進行誤差校正；另一方面，DR的推算結果可用于補償部分衛星定位中的隨機誤差，當衛星信號被遮擋時由DR繼續定位。所以，將這兩種系統組合起來，充分利用兩者定位信息的互補性，就能獲得比單獨使用任何一種方法時都要高的定位精度和可靠性。

3.2 GPS/DR導航系統

目前，GPS/DR組合定位系統的數據融合方案主要有兩種：切換式和最優估計法（卡爾曼濾波）。

切換式組合方案有兩種工作狀態：即GPS模式和DR模式，系統工作采用何種模式取決于GPS信號的有效性，當GPS觀測衛星數較多，衛星幾何分布結構較好時工作于GPS模式，同時利用GPS的定位輸出刷新DR系統的初始推算位置，一旦GPS定位數據失效，則切換到DR模式。該方法的優點是簡單易行，系統承擔的計算量小，可以解決在衛星信號失效時短時間內的定位問題。

4 結束語

導航系統隨著人類社會的進步應運而生，又在人類的發展過程中逐步完善、創新。在如今社會發展的要求下，導航系統的應用愈加廣泛，通過研究可以看出，各種導航系統具有不同的特點及優勢，并且組合導航系統將會成為導航系統的發展方向。在今后的研究中，也應取長補短，將每種導航系統的優勢最大化，為人類提供更便捷、可靠、高精度的導航系統。

參考文獻

[1]岳振海.GPS全球定位系統的應用[J].黑龍江交通科技，2011.10：126.

[2]孔志宏.全球衛星定位系統原理及應用[J].山西科技，2006（1）.

[3]管衛華，夏秋勤，趙媛.關于GPS應用的理論研究[J].東北測繪，2001（2）.