第111章 天眼導航衛星
回到1989：世界重啟 作者：龍遊淺溝 投票推薦 加入書簽 留言反饋
衛星導航的重要性是一個國家不可或缺的，隨著科技和經濟的不斷發展，不論軍事上，還是民用上都會用到導航。
1997年，漂亮國關閉對龍國一艘遠航貨輪的導航，使該貨輪在大洋中迷失方向漂流了幾十天。讓當時的商業部領導大呼十幾聲“窩囊啊。”
2000年龍國才發射了第一顆導航衛星。李文龍現在就是要提前介入，打破漂亮國的布局。
一大早江老就到四合院來接李文龍。一起來到航天大樓的會議室。幾次參加各個研究所的討論和講解，交給他們相關數據和資料的時候李文龍都稍微改變一下自己的容貌，都貼了胡子讓自己老成一些。
這次參加的人員有一百多人，匯集了航天研究，衛星研發，火箭發射等多個部門和研究所的''主要專家和負責人。
李文龍在台上把設備裝好，打開投影。喝了口茶：“我現在說的是漂亮國已經在用的衛星導航係統。”
“全球定位係統，簡稱gpss是一個由漂亮國政府開發的先進衛星導航係統，可以為地球表麵絕大部分地區（大於98%）提供準確的定位、測速和高精度的標準時間。其根源可追溯到20世紀50年代末的空間競賽。gpss的發展始於對第一顆成功進入地球軌道的衛星——蘇國的“斯普特尼克”發射的無線電信號的研究。這些信號的多普勒效應使科學家能夠追蹤衛星的運動，進而開發出利用衛星信號來確定地麵接收器位置的技術。這項技術最初被用於軍事導航，尤其是用於漂亮國海軍的導彈潛艇。隨著技術的發展，gpss逐漸成為民用和商業領域中不可或缺的一部分，從手機中的簡單時間坐標顯示到自動駕駛汽車等更複雜係統的應用，gpss技術都扮演著關鍵角色。”
“漂亮國1973年啟動了gpss項目，旨在為全球提供精確的時間和位置信息。自1978年發射首顆衛星開始，計劃1994年完成由24顆衛星組成的星座配置，gpss將成功實現全球覆蓋。隨後，將啟動的gpss現代化計劃著重提高了衛星和地麵係統的性能，特別是在精度、信號有效性和可靠性方麵進行了優化，並計劃增加了多個民用信號，顯著提升了gpss在民用領域的應用性能。將使得民用gpss的精度得到了顯著提升。這些技術進展確立了gpss作為現代導航和定位領域核心技術的地位，廣泛應用於軍事、民用和商業領域。\"
gpss具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位的能力。其顯著特點包括全天候工作、高定位精度、多功能應用、全球覆蓋和易於操作。gpss的應用非常廣泛，涵蓋了導航、大地測量、資源勘察、地球力學等多個領域，對國民經濟的各個部門和人們的日常生活產生了深遠影響。gpss係統將計劃由31顆在軌運行的操作性衛星組成，但不包括已退役或作為在軌備用的衛星。此外，該係統還包括地麵支撐係統（主控站、注入站和監測站）和用戶設備。”
“我設想將我們的導航衛星作為我們國家在天空中的眼睛，可以叫做“天眼”導航係統。”
“將天眼計劃的實施共分三個階段：
第一階段（方案論證和初步設計）
發射了4顆試驗衛星，這些衛星的軌道長半軸為公裏，傾角為64度，軌道高度為公裏。主要任務是研製地麵接收機和建立地麵跟蹤網，結果表明設計理念和技術的可行性。其間天眼衛星技術要曆經多次重要的迭代與革新，這些衛星的星鍾與星曆參數都是基於地麵控製段的實時估算進行預報，並每天注入一次，以確保導航的準確性與可靠性。
第二階段（全麵研製和試驗）
幾年後陸續發射了7顆試驗衛星，並研製了多種用途的接收機。實驗結果顯示，天眼定位精度遠超設計標準，即使僅使用粗碼定位，其精度也能達到14米。研究開發氫原子鍾衛星可以帶來10?14\/天的相對頻率穩定度，從而將定位誤差進一步減少至1米以內。氫原子鍾的會讓天眼定位技術的重大飛躍，大幅提高定位的準確性和可靠性。最終由21顆工作星和3顆備份星分布在互成30度的6條軌道上，確定天眼衛星所使用的工作方式。”
第三階段（實用組網）
預計7-8年後具備實用功能的天眼網即（21+3）的天眼星座建成，後續將根據計劃更換失效的衛星。”
“最後民用領域的開放。
我們天眼現在設計為軍事應用，但隨著時間和科技的發展，其在民用領域的應用也會逐漸增加。天眼係統一旦建成，將向公眾開放。提供了兩種測距碼：軍用的p碼和民用的c\/a碼。取消了對民用信道的sa幹擾信號，可以激發廣泛的民用應用和產業發展。”
李文龍停頓一下喝了口茶繼續說：
“現在說說定位原理和係統原理。
蘇國成功發射第一顆人造衛星後，漂亮國約翰·霍布斯金大學應用物理實驗室的研究人員提出了一個設想：如果我們能夠通過觀測站的位置來確定衛星的位置，那麽理論上，我們也應該能夠通過已知衛星的位置來測量出接收者的位置。這一設想成為了導航衛星的基本理念。gpss導航係統的工作原理是通過測量已知位置的衛星與用戶接收機之間的距離，並利用多顆衛星的數據進行綜合分析，從而精確確定接收機的具體位置。想要達到這一目的，衛星的位置需要通過查詢星載時鍾記錄的時間和衛星星曆數據來確定。用戶與衛星之間的距離則通過測量衛星信號傳播到用戶所需的時間來計算，這個時間乘以光速即得到距離。但由於大氣層和電離層的幹擾，這個計算出來的距離並不是真實的直線距離，而是被稱為偽距。gpss衛星通過發射含有偽隨機碼（偽碼）的導航電文來正常工作。這些偽碼主要包括民用的c\/a碼和軍用的p(y)碼。c\/a碼的頻率是1.023mhz，重複周期為一毫秒，碼間距為1微秒，相當於300米的距離；而p碼的頻率是10.23mhz，重複周期長達266.4天，碼間距0.1微秒，相當於30米的距離。y碼則是基於p碼發展而來，具有更高的保密性能。gpss導航電文包含了衛星星曆、工作狀態、時鍾修正、電離層時延修正、大氣折射修正等重要信息。gpss係統通過解調衛星信號來獲取導航電文，並以每秒50比特的速率在載頻上進行調製後發射。每個gpss導航電文主幀包括5個子幀，每個子幀持續6秒。其中，前三個子幀包含10個字碼，這部分內容每30秒重複一次，並且每小時更新一次。而後兩個子幀的總數據量為比特。導航電文主要包含遙測碼、轉換碼和第1、2、3號數據塊，其中星曆數據最為關鍵。用戶接收到這些導航電文後，可以通過比對衛星時間和自己的時鍾來計算與衛星之間的距離。同時，利用電文中的星曆數據可以確定衛星在發射電文時的確切位置。根據這些信息以及wgs-84大地坐標係，用戶就可以精確地獲知自己的位置和速度。需要注意的是，由於用戶接收器的時鍾與衛星的時鍾不總是完全同步，因此在計算過程中還需要引入一個時間差Δt作為一個額外的未知數。這個時間差代表了衛星與接收機之間的時間差異。為了解出用戶的三維坐標（x、y、z）以及時間差Δt，需要至少接收到4個衛星的信號，並用4個方程來求解這4個未知數。gps''s衛星的信號傳輸是通過特定的調製技術實現的。這些技術包括cdma（碼分多址）和psk（相位偏移鍵控），使得多個衛星可以在相同的頻率上發送信號，而不會相互幹擾。cdma技術允許每顆衛星使用獨特的偽隨機噪聲（prn）代碼，確保接收機可以區分並跟蹤來自不同衛星的信號。\"
\"差分全球定位係統（dgps）是一種基於已知參考坐標點的技術，用於修正gps的誤差，進而提升其定位精度。其工作原理主要是利用附近的已知參考坐標點（這些坐標點通常由其他高精度測量方法獲得）來計算gps接收機的位置誤差，並將這一即時誤差值納入位置計算中，以得到更為準確的位置信息。通過這種方式，dgps能夠有效地改善gps的定位精度，為用戶提供更可靠、更精確的位置服務。
具體操作上，一般會在一個基準站上安置一台gpss接收機進行觀測。利用基準站已知的精確坐標，計算出基準站到衛星的實際距離。然後，將這個距離與由於誤差存在導致的基準站接收機觀測到的偽距離進行比較，得出一個差值，即改正值。這個改正值會由基準站實時地發送出去。與此同時，用戶的接收機在進行gpss觀測的同時也會接收到這個來自基準站的改正數。通過對接收到的改正數進行應用，用戶的接收機可以修正其定位結果，從而消除公共誤差。雖然差分技術可以完全消除某些類型的誤差，例如衛星鍾誤差、星曆誤差等，但對於其他類型的誤差，例如對流層和電離層的延遲誤差，隻能消除其中的大部分，而無法完全消除。然而，由於這種技術可以顯著提高定位的精度，因此得到了廣泛的應用。
根據差分gpss基準站發送的信息方式，差分gpss定位可以分為位置差分、偽距差分和相位差分三種。這三類差分方式的工作原理大體相似，都是基準站發送改正數，用戶站接收並應用這些改正數來修正其測量結果，從而得到更精確的定位結果。它們的主要區別在於發送的改正數的具體內容不同，這也導致了它們的差分定位精度有所差異。
dgps技術的應用可以大幅度提升gps的定位精度，將其從標準gps係統在水平方向上的5-10米定位精度提升至亞米級甚至厘米級，從而在航空、航海、測量和地理信息係統（gis）等需要高精度定位的領域發揮巨大作用。\"
“然而，dgps技術的實施並非易事，它麵臨著一些實際的限製和挑戰。要實現高精度的位置信息獲取，必須在移動站和基準站之間建立實時的通信連接，這可能需要額外的專門通信鏈路，從而增加了係統的複雜性和實施成本。同時，dgps技術的性能也會受到如信號遮擋、多路徑效應、大氣延遲等多種因素的影響，這些因素都有可能導致位置信息的誤差增大或者無法獲取。因此，在使用dgps技術時，我們需要充分考慮其技術的適用性和限製條件。”
“盡管如此，差分技術還是具有與其他定位技術結合使用的巨大潛力，可以形成更為強大的混合定位係統。例如，將dgps與慣性導航係統（ins）進行融合，使用符合濾波器創建出一種高精度的dgps\/ins的混合定位係統。這種係統不僅能享受到dgps提供的高精度位置信息，同時還能利用ins提供的連續導航能力，從而實現更高精度的定位和導航。”
李文龍一直堅持地解說著，完全沒有時間觀念。底下坐著的一百多人，裏麵還有很多都是60以上的老者，全都仔細的聆聽和記錄著。
誰都不知道過了多少時間，李文龍又喝了口茶，看了下手表。心裏暗罵一句：“陰公啊，都下午四點多了”
“對不起了，沒有注意時間，耽誤大家吃飯和休息時間了。”
李文龍趕緊對大家鞠躬道歉。
“說什麽呢？是我們耽誤你時間了，大家隨便吃點再繼續。”這位應該是中樞的一位負責這方麵的領導說。
“趕快讓人拿些包子來，吃完繼續。”
馬上有人把準備好的包子糕點拿了進來分給大家。
1997年，漂亮國關閉對龍國一艘遠航貨輪的導航，使該貨輪在大洋中迷失方向漂流了幾十天。讓當時的商業部領導大呼十幾聲“窩囊啊。”
2000年龍國才發射了第一顆導航衛星。李文龍現在就是要提前介入，打破漂亮國的布局。
一大早江老就到四合院來接李文龍。一起來到航天大樓的會議室。幾次參加各個研究所的討論和講解，交給他們相關數據和資料的時候李文龍都稍微改變一下自己的容貌，都貼了胡子讓自己老成一些。
這次參加的人員有一百多人，匯集了航天研究，衛星研發，火箭發射等多個部門和研究所的''主要專家和負責人。
李文龍在台上把設備裝好，打開投影。喝了口茶：“我現在說的是漂亮國已經在用的衛星導航係統。”
“全球定位係統，簡稱gpss是一個由漂亮國政府開發的先進衛星導航係統，可以為地球表麵絕大部分地區（大於98%）提供準確的定位、測速和高精度的標準時間。其根源可追溯到20世紀50年代末的空間競賽。gpss的發展始於對第一顆成功進入地球軌道的衛星——蘇國的“斯普特尼克”發射的無線電信號的研究。這些信號的多普勒效應使科學家能夠追蹤衛星的運動，進而開發出利用衛星信號來確定地麵接收器位置的技術。這項技術最初被用於軍事導航，尤其是用於漂亮國海軍的導彈潛艇。隨著技術的發展，gpss逐漸成為民用和商業領域中不可或缺的一部分，從手機中的簡單時間坐標顯示到自動駕駛汽車等更複雜係統的應用，gpss技術都扮演著關鍵角色。”
“漂亮國1973年啟動了gpss項目，旨在為全球提供精確的時間和位置信息。自1978年發射首顆衛星開始，計劃1994年完成由24顆衛星組成的星座配置，gpss將成功實現全球覆蓋。隨後，將啟動的gpss現代化計劃著重提高了衛星和地麵係統的性能，特別是在精度、信號有效性和可靠性方麵進行了優化，並計劃增加了多個民用信號，顯著提升了gpss在民用領域的應用性能。將使得民用gpss的精度得到了顯著提升。這些技術進展確立了gpss作為現代導航和定位領域核心技術的地位，廣泛應用於軍事、民用和商業領域。\"
gpss具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位的能力。其顯著特點包括全天候工作、高定位精度、多功能應用、全球覆蓋和易於操作。gpss的應用非常廣泛，涵蓋了導航、大地測量、資源勘察、地球力學等多個領域，對國民經濟的各個部門和人們的日常生活產生了深遠影響。gpss係統將計劃由31顆在軌運行的操作性衛星組成，但不包括已退役或作為在軌備用的衛星。此外，該係統還包括地麵支撐係統（主控站、注入站和監測站）和用戶設備。”
“我設想將我們的導航衛星作為我們國家在天空中的眼睛，可以叫做“天眼”導航係統。”
“將天眼計劃的實施共分三個階段：
第一階段（方案論證和初步設計）
發射了4顆試驗衛星，這些衛星的軌道長半軸為公裏，傾角為64度，軌道高度為公裏。主要任務是研製地麵接收機和建立地麵跟蹤網，結果表明設計理念和技術的可行性。其間天眼衛星技術要曆經多次重要的迭代與革新，這些衛星的星鍾與星曆參數都是基於地麵控製段的實時估算進行預報，並每天注入一次，以確保導航的準確性與可靠性。
第二階段（全麵研製和試驗）
幾年後陸續發射了7顆試驗衛星，並研製了多種用途的接收機。實驗結果顯示，天眼定位精度遠超設計標準，即使僅使用粗碼定位，其精度也能達到14米。研究開發氫原子鍾衛星可以帶來10?14\/天的相對頻率穩定度，從而將定位誤差進一步減少至1米以內。氫原子鍾的會讓天眼定位技術的重大飛躍，大幅提高定位的準確性和可靠性。最終由21顆工作星和3顆備份星分布在互成30度的6條軌道上，確定天眼衛星所使用的工作方式。”
第三階段（實用組網）
預計7-8年後具備實用功能的天眼網即（21+3）的天眼星座建成，後續將根據計劃更換失效的衛星。”
“最後民用領域的開放。
我們天眼現在設計為軍事應用，但隨著時間和科技的發展，其在民用領域的應用也會逐漸增加。天眼係統一旦建成，將向公眾開放。提供了兩種測距碼：軍用的p碼和民用的c\/a碼。取消了對民用信道的sa幹擾信號，可以激發廣泛的民用應用和產業發展。”
李文龍停頓一下喝了口茶繼續說：
“現在說說定位原理和係統原理。
蘇國成功發射第一顆人造衛星後，漂亮國約翰·霍布斯金大學應用物理實驗室的研究人員提出了一個設想：如果我們能夠通過觀測站的位置來確定衛星的位置，那麽理論上，我們也應該能夠通過已知衛星的位置來測量出接收者的位置。這一設想成為了導航衛星的基本理念。gpss導航係統的工作原理是通過測量已知位置的衛星與用戶接收機之間的距離，並利用多顆衛星的數據進行綜合分析，從而精確確定接收機的具體位置。想要達到這一目的，衛星的位置需要通過查詢星載時鍾記錄的時間和衛星星曆數據來確定。用戶與衛星之間的距離則通過測量衛星信號傳播到用戶所需的時間來計算，這個時間乘以光速即得到距離。但由於大氣層和電離層的幹擾，這個計算出來的距離並不是真實的直線距離，而是被稱為偽距。gpss衛星通過發射含有偽隨機碼（偽碼）的導航電文來正常工作。這些偽碼主要包括民用的c\/a碼和軍用的p(y)碼。c\/a碼的頻率是1.023mhz，重複周期為一毫秒，碼間距為1微秒，相當於300米的距離；而p碼的頻率是10.23mhz，重複周期長達266.4天，碼間距0.1微秒，相當於30米的距離。y碼則是基於p碼發展而來，具有更高的保密性能。gpss導航電文包含了衛星星曆、工作狀態、時鍾修正、電離層時延修正、大氣折射修正等重要信息。gpss係統通過解調衛星信號來獲取導航電文，並以每秒50比特的速率在載頻上進行調製後發射。每個gpss導航電文主幀包括5個子幀，每個子幀持續6秒。其中，前三個子幀包含10個字碼，這部分內容每30秒重複一次，並且每小時更新一次。而後兩個子幀的總數據量為比特。導航電文主要包含遙測碼、轉換碼和第1、2、3號數據塊，其中星曆數據最為關鍵。用戶接收到這些導航電文後，可以通過比對衛星時間和自己的時鍾來計算與衛星之間的距離。同時，利用電文中的星曆數據可以確定衛星在發射電文時的確切位置。根據這些信息以及wgs-84大地坐標係，用戶就可以精確地獲知自己的位置和速度。需要注意的是，由於用戶接收器的時鍾與衛星的時鍾不總是完全同步，因此在計算過程中還需要引入一個時間差Δt作為一個額外的未知數。這個時間差代表了衛星與接收機之間的時間差異。為了解出用戶的三維坐標（x、y、z）以及時間差Δt，需要至少接收到4個衛星的信號，並用4個方程來求解這4個未知數。gps''s衛星的信號傳輸是通過特定的調製技術實現的。這些技術包括cdma（碼分多址）和psk（相位偏移鍵控），使得多個衛星可以在相同的頻率上發送信號，而不會相互幹擾。cdma技術允許每顆衛星使用獨特的偽隨機噪聲（prn）代碼，確保接收機可以區分並跟蹤來自不同衛星的信號。\"
\"差分全球定位係統（dgps）是一種基於已知參考坐標點的技術，用於修正gps的誤差，進而提升其定位精度。其工作原理主要是利用附近的已知參考坐標點（這些坐標點通常由其他高精度測量方法獲得）來計算gps接收機的位置誤差，並將這一即時誤差值納入位置計算中，以得到更為準確的位置信息。通過這種方式，dgps能夠有效地改善gps的定位精度，為用戶提供更可靠、更精確的位置服務。
具體操作上，一般會在一個基準站上安置一台gpss接收機進行觀測。利用基準站已知的精確坐標，計算出基準站到衛星的實際距離。然後，將這個距離與由於誤差存在導致的基準站接收機觀測到的偽距離進行比較，得出一個差值，即改正值。這個改正值會由基準站實時地發送出去。與此同時，用戶的接收機在進行gpss觀測的同時也會接收到這個來自基準站的改正數。通過對接收到的改正數進行應用，用戶的接收機可以修正其定位結果，從而消除公共誤差。雖然差分技術可以完全消除某些類型的誤差，例如衛星鍾誤差、星曆誤差等，但對於其他類型的誤差，例如對流層和電離層的延遲誤差，隻能消除其中的大部分，而無法完全消除。然而，由於這種技術可以顯著提高定位的精度，因此得到了廣泛的應用。
根據差分gpss基準站發送的信息方式，差分gpss定位可以分為位置差分、偽距差分和相位差分三種。這三類差分方式的工作原理大體相似，都是基準站發送改正數，用戶站接收並應用這些改正數來修正其測量結果，從而得到更精確的定位結果。它們的主要區別在於發送的改正數的具體內容不同，這也導致了它們的差分定位精度有所差異。
dgps技術的應用可以大幅度提升gps的定位精度，將其從標準gps係統在水平方向上的5-10米定位精度提升至亞米級甚至厘米級，從而在航空、航海、測量和地理信息係統（gis）等需要高精度定位的領域發揮巨大作用。\"
“然而，dgps技術的實施並非易事，它麵臨著一些實際的限製和挑戰。要實現高精度的位置信息獲取，必須在移動站和基準站之間建立實時的通信連接，這可能需要額外的專門通信鏈路，從而增加了係統的複雜性和實施成本。同時，dgps技術的性能也會受到如信號遮擋、多路徑效應、大氣延遲等多種因素的影響，這些因素都有可能導致位置信息的誤差增大或者無法獲取。因此，在使用dgps技術時，我們需要充分考慮其技術的適用性和限製條件。”
“盡管如此，差分技術還是具有與其他定位技術結合使用的巨大潛力，可以形成更為強大的混合定位係統。例如，將dgps與慣性導航係統（ins）進行融合，使用符合濾波器創建出一種高精度的dgps\/ins的混合定位係統。這種係統不僅能享受到dgps提供的高精度位置信息，同時還能利用ins提供的連續導航能力，從而實現更高精度的定位和導航。”
李文龍一直堅持地解說著，完全沒有時間觀念。底下坐著的一百多人，裏麵還有很多都是60以上的老者，全都仔細的聆聽和記錄著。
誰都不知道過了多少時間，李文龍又喝了口茶，看了下手表。心裏暗罵一句：“陰公啊，都下午四點多了”
“對不起了，沒有注意時間，耽誤大家吃飯和休息時間了。”
李文龍趕緊對大家鞠躬道歉。
“說什麽呢？是我們耽誤你時間了，大家隨便吃點再繼續。”這位應該是中樞的一位負責這方麵的領導說。
“趕快讓人拿些包子來，吃完繼續。”
馬上有人把準備好的包子糕點拿了進來分給大家。