衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

“GPS的應(yīng)用只受到人們想象力的限制”已成為一句名言。實際上，衛(wèi)星導(dǎo)航真正的全球性大眾化民用市場還只是剛剛開始，今后的路還很長很長。雖然僅僅是開始，卻已有成百種應(yīng)用類型。而且，衛(wèi)星導(dǎo)航的生命期至少還有50年，GPS概念的提出已有三十年，而真正的應(yīng)用還只有十來年，現(xiàn)在又要搞GPS現(xiàn)代化，到2010年才算完。接著是GPS III新階段，可能延續(xù)到2020年。而歐洲的Galileo全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，按照計劃是2008年才能投入全面的應(yīng)用服務(wù)，后面開始進入漫長的運行服務(wù)期。無論是GPS衛(wèi)星，還是Galileo衛(wèi)星，現(xiàn)在的設(shè)計壽命，均為10年以上。可見，系統(tǒng)的再投入不會太大。少數(shù)幾個星座便能為全球各地?zé)o限多個用戶服務(wù)，一般應(yīng)用還是免費服務(wù)。因此，有人擔(dān)心具有定位功能的笫三代3G無線通信問世后，會不會使衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用成為競爭的犧牲品，這種擔(dān)心大可不必。衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用是建立導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的根本出發(fā)點，也是其最終的歸宿。通常衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用市場可以分為三大方面，它們是專業(yè)市場、批量市場和安防市場。專業(yè)市場主要是指精密測量、油氣和地質(zhì)勘探、土木工程、民用建筑、精細(xì)農(nóng)業(yè)、物流管理、授時、氣象、地震，以及各種各樣的科學(xué)研究。批量市場主要是指車輛導(dǎo)航、船只導(dǎo)航、飛機導(dǎo)航、個人導(dǎo)航，移動目標(biāo)監(jiān)控等。安全市場主要是指貨運、客運、緊急救援、搶險救災(zāi)、安全防范、防盜報警、應(yīng)急聯(lián)動等。從應(yīng)用的角度可分成以下10類加以簡述，這就是:航空、航海、通信、人員跟蹤、消費娛樂、測繪、授時、車輛監(jiān)控管理，和汽車導(dǎo)航與信息服務(wù)，以及其它類。1. 航空國際民航組織ICAO歷來提倡用衛(wèi)星導(dǎo)航作為全球單一的導(dǎo)航手段來實現(xiàn)飛機所有的飛行階段的導(dǎo)航，這是一個很困難的任務(wù)，也是一個很漫長的實施過程。單一的星座不足以擔(dān)此重任，必須建立增強系統(tǒng)，以及構(gòu)作新的星座，并列出了GNSS計劃，還劃分為兩個階段GNSS1和GNSS2，希望完成增強和新建兩項任務(wù)。增強可以從兩方面實現(xiàn)，一是利用星基設(shè)備的廣域增強系統(tǒng)如美國的WAAS，歐洲的EGNOS，日本的MSAS，中國的CWAAS，二是利用地基的局域增強系統(tǒng)LAAS。歐洲的Galileo便是新建的全球?qū)Ш叫亲?，它與GPS配合起來，可以大大提高導(dǎo)航衛(wèi)星的可用性，使單一的GPS市區(qū)可用性從55%提高到GPS/Galileo共用時的95%。GPS技術(shù)建立廣域增強系統(tǒng)WAAS逐步代替原先的微波著陸/儀表著陸系統(tǒng)，美國的WAAS系統(tǒng)計劃在2003年下半年運營，地面改正數(shù)據(jù)可以通過靜地衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給飛機。WAAS一開始就能使GPS三維定位精度提高到7m左右，經(jīng)進一步改進后甚至能達到1m精度，可滿足I類精密進近的要求。除了提高精度外，WAAS也能提高可用性和完善性監(jiān)測，因為靜地衛(wèi)星提供了又一個額外的導(dǎo)航空間信號和整個星座的完善性信息。局域增強系統(tǒng)LAAS與WAAS不一樣，它是在機場附近半徑為五十公里的范圍內(nèi)廣播DGPS改正與相關(guān)信息。I類著陸要求有兩個GPS參考接收機，II類和III類著陸則分別要求有三個和四個接收機。此時的DGPS系統(tǒng)運用的是載波平滑碼技術(shù)。LAAS好處甚多，它可通過增加精密進近能力改進安全性，增加機場運作容量，改進調(diào)度的靈活性，單系統(tǒng)復(fù)蓋多跑道，支持機場地面運作，幫助飛行員自動工作。還可以實現(xiàn)精密的跑道監(jiān)測，并促進航空電子的完善和進步。2. 航海衛(wèi)星導(dǎo)航接收機廣泛地用于海上行駛的各類船只，DGPS則廣泛地用于沿岸與進港，以及內(nèi)河行駛的船只，精度可達到2-3m。在衛(wèi)星導(dǎo)航接收機與無線通信手段集成后，該系統(tǒng)便成為一個位置報告系統(tǒng)和緊急救援系統(tǒng)。許多漁船將GPS與雷達和魚探器結(jié)合在一起，產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益。海上勘探和測繪、航道疏浚與維護，以及船舶引水導(dǎo)航及停泊靠岸，都能借助于GPS，提高效率，加強安全，并減輕工作強度，獲得良好的效益。3. 通信與導(dǎo)航的融合衛(wèi)星導(dǎo)航接收機與無線電通信機的結(jié)合是自然發(fā)生的，這種融合產(chǎn)生的意義是非常深遠的。實際上，這是移動計算機PDA、蜂窩電話和GPS接收機的系統(tǒng)集成和完美整合。美國的E911和歐洲的E112明確提出了要求，凡無線報警者，必須同時帶有所在位置信息。而且還頒布了相關(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)。這無疑大大促進了衛(wèi)星導(dǎo)航與蜂窩通信的融合。由于GPS接收機越做越小和功耗越做越低，為兩者融合奠定了技術(shù)與物質(zhì)基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)助的AGPS技術(shù)與產(chǎn)品又完美地綜合了雙方的優(yōu)勢，高通公司Qualcomm的SnapTrack技術(shù)運用在CDMA網(wǎng)絡(luò)上形成了gpsOne這樣的一體化產(chǎn)品，僅在不到一年半的時間內(nèi)，在日、韓、美市場便銷售了1000多萬臺，據(jù)權(quán)威機構(gòu)預(yù)測，2003和2004年AGPS手機銷售量將分別占全年手機銷售總量的5.1%和9.8%。4. 人員跟蹤個人跟蹤的應(yīng)用需求與E911這類導(dǎo)航手機或稱定位手機思路相似，但其產(chǎn)品類型和主要功能定位則與它們大相徑庭。首先要求其體積和功耗要小，便于隱藏或佩帶，如手表之類。其應(yīng)用功能可以由中心加以激活或啟動，以利于獲取佩帶者所在位置。也有個應(yīng)用數(shù)碼公司揚言已研發(fā)出植入皮下的跟蹤設(shè)備。較為現(xiàn)實的是手表型個人跟蹤器，人稱“數(shù)字天使”，它還能監(jiān)測人的體溫和脈搏，并將數(shù)據(jù)發(fā)回監(jiān)控中心或指定的親友與監(jiān)護者?？赡艿膽?yīng)用包括老人與小孩的位置和病人的醫(yī)療監(jiān)測，跟蹤農(nóng)牧的牲口，尋找迷路和丟失的人與寵物。還可以跟蹤戰(zhàn)士、旅行者，以及癡呆病患者等。5. 消費娛樂徒步旅行者、獵人、越野滑雪者，野外工作人員和戶外活動者現(xiàn)在常應(yīng)用袋式GPS定位器，配上電子地圖，可以在草原、大漠、鄉(xiāng)間、山野或無人區(qū)內(nèi)找到自己的目的地。駕舟者和潛水人購置手持導(dǎo)航儀以增加安全導(dǎo)航和探索未知水域的高技術(shù)含量。GPS甚至還用于高爾夫球場，并將球場地圖集成到GPS手持機中，還備有確定距離的軟件，從而大大增加了玩球者的興趣。有人稱，由于GPS接收機的不斷降價，從長遠而言，總有一天最終還會集成到玩具市場中去。6. 測繪測繪用的是載波相位差分技術(shù)，這種雙重的高精度測量技術(shù)確?；€瞬時測量精度能達到20厘米左右，時段數(shù)據(jù)精化和回歸使精度能得到一個多數(shù)量級的提高。GPS測繪還可用于繪圖、地藉測量、地球板塊測量、火山活動監(jiān)測、GIS領(lǐng)域、大橋監(jiān)測、水壩監(jiān)測、滑坡監(jiān)測、大型建筑物監(jiān)測等。這種測量技術(shù)的實時動態(tài)化RTK可以用于海洋河道公路測量，以及礦山、大型工程建設(shè)工地等作為自動化管理和機械控制。7. 授時GPS設(shè)備還用于作為時間同步裝置，特別是作為交易處理定時如在ATM機中和通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。尤其是像CDMA這種碼分多址的無線電通信網(wǎng)絡(luò)中，時間是網(wǎng)絡(luò)同步的關(guān)鍵部分，所以GPS定時天線已成為網(wǎng)絡(luò)同步最具應(yīng)用前景的嵌入單元。GPS時間產(chǎn)品還用于供電部門，作為電力網(wǎng)電能相位同步基準(zhǔn)和判別故障的一種測試手段。此外，蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位中，也要用到高精度時間，GPS設(shè)備裝在手機中或蜂窩基站上，保證三角定位計算法的實現(xiàn)。8. 車輛監(jiān)控管理9. 汽車導(dǎo)航與信息服務(wù)10. 其它GPS應(yīng)用還包括精細(xì)農(nóng)業(yè)、科學(xué)研究野外生物學(xué)、氣象學(xué)、地球科學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、突發(fā)事件和災(zāi)害評估、安全保障、天體與建筑工程和自然資源分析的定位。至今，GPS國際協(xié)會已統(tǒng)計出GPS的117種不同類型的應(yīng)用。當(dāng)然，與蜂窩通信的集成和汽車應(yīng)用還是當(dāng)前最大的兩個市場。