全球定位系统及其应用综述_一_导航定位技术发展的沿革

全球定位系统及其应用综述(一)

———导航定位技术发展的沿革

刘美生

(中国测试技术研究院,四川成都610021)

摘　要:较全面地介绍了导航定位技术发展的历史进程,科学地阐述了陆基导航技术和星基导航定位系统对人类的重大贡献,着重介绍了美国GPS 、俄罗斯GLONASS 、中国北斗和欧盟Galileo 四大卫星导航定位系统,客观地分析了全球卫星导航定位系统在现代社会生活中的重要作用,尤其揭示了当今世界在卫星导航定位这一新兴技术领域的激烈竞争和发展方向。

关键词:导航;定位;卫星;全球定位系统;发展;沿革

中图分类号:P228.4 文献标识码:A 文章编号:1672-4984(2006)05-0001-07

Global positioning system and its application (1)

———history of development for navigation and positioning technology

LIU Mei -sheng (National Institute of Measurement and Testing Technology ,Chengdu 610021,China )

Abstract :This paper presented all -s ided history of development for the navigation positioning technlogy ,discussed scientifically the

huge contribution to human race about land -based navigation technology and satellite -based navigation positioning system and analyzed objectively the imp ortant role of global satellite navigation positioning system today .It especially revealed the violent competitions and pointed the direction of development in this new field of satellite navigation positioning .Key words :Navigation ;Positioning ;Satellite ;Global pos itioning system ;Development ;History

收稿日期:2006-05-08;收到修改稿日期:2006-06-22

基金项目:国家科技基础条件平台重点专项(2003DIA6N016)作者简介:刘美生(1951-),男,研究员,主要从事计量测试技术研究及科技管理,尤其在光电技术及机动车运行安全性能检测方面有深入研究。

1　引　言

当人们在森林中迷失方向时、当一艘孤舟在汪洋大海中漂泊时,当草原上的羊群找不到暮归的路时他们多么需要为他们领路、导向。实际上,在有生命的世界中,时时刻刻都存在导向问题。随着人类文明的不断进步,人们从刀耕火种的原始时代逐步发展到了有车、有船,甚至有了飞机、飞船、卫星的现代社会,导向的含义发生了根本性的外延和扩展。Navigation 源于海洋中船舶的航行,开初人们是通过罗盘、天文等手段对航行在海洋中的船舶进行导向和领航,后来发展到陆地车辆以及空中飞行器的领航,以致Navigation 逐渐被译成“导航”。

“导航”一词从广义上讲主要有两方面的活动范

畴,一是直观的、容易实施的,即在已知方向或路线的情况下给客体领路、导向,把客体带向目的地,比

如车队在领航员的带领下行进,船舶沿着罗盘给定的方向航行。二是控制型的、较复杂的,其实质是通过实时测定运动客体在途的位置(坐标)、速度、时间或姿态等动态参数,进行数据分析和计算,确定一条包括对速度、时间等方面有要求的科学的路线和一个科学的行驶方案,然后利用操作系统引导和控制运动客体沿着已确定的路线行驶,行驶过程中还要进行实时的纠偏和修正,如现代技术的船舶航行、飞机飞行、火箭发射以及装备了导航装置的各类车辆的行驶等等。

“导航”主要涉及的是运动客体的“方向”,而实际上一个客体的准确定位显得更为重要。无论客体是静止还是运动的,当它实时所在的位置参量确定后,也随之能确定表征该客体状态的一系列重要参量。例如,知道一辆失窃的汽车在大地坐标系中的坐标参数后,就能知道该车所处方位和具体的所在地点,为破案提供有效手段;在获取了飞行中飞机的

第32卷第5期　2006年9月中国测试技术

C HINA MEASUREME NT TECHNOLOGY

Vol .32　No .5Sept .2006　

动态点位值后,就能计算出它的速度、加速度、飞行轨迹,并为其下一步飞行方案的决策提供依据。可以说定位是导航的基础,有了准确的定位,才能有科学的导航;定位即是广义上的导航,也包含了比导航更宽的活动范畴。纵观这一领域从陆基导航技术到星基导航定位系统的发展沿革也充分地说明了这一点。所以,现代生活中用的较多的单词“导航”、“全球定位”应该是人类社会不断发展、科学技术不断进步的一种表征。

2　陆基导航技术

从一般意义上讲,可以把那些将导航设施(或媒介)置于陆地上、导航信号作用范围限于电离层以下的空间、陆地和海洋上的导航行为,都统称为陆基导航,这些导航信号一般沿地面传播、或沿地面与电离层之间来回反射而传播得很远。从原始的灯塔、目视地物标记、罗盘到无线电导航技术,人类已经发明和制造了各种各样的陆基导航仪器与设备。

2.1　罗盘

远古就有、现代仍在利用的罗盘导航应属于一种古老、原始的,但又是非常实用的陆基导航技术。它利用地磁场南北极的属性,将两极磁体做成叫做罗盘的仪器来方便地测定客体所处方位,它在任意位置都能准确地给出某一方向或角度值。类似于罗盘的仪器已有许多,它为人类带来了诸多的方便。2.2　无线电信标

在第二次世界大战之前,由于飞机飞行和船舶航行的需要,尤其是战争的需要,人们发明了无线电信标(RD radio beac on)系统。无线电信标是设立在地面固定点的连续波发射机,采用全向天线。用于航空导航的无线电信标称为航空无线电信标,也叫无方向信标(NDB nondirectional beacon),飞机上的机载设备叫自动测向仪(ADF automatic direction finder)或称为无线电罗盘;利用天线的方向性,ADF能测出NDB相对于飞机轴线的方位,它主要用于飞机着陆时寻找初始进近点;由于该系统的价格低廉,所以至今的民航飞机和大部分军用飞机仍装备ADF。用于航海的叫海用无线电信标,其工作原理与航空无线电信标相同;由于GPS的应用,近年来许多国家将海用无线电信标改作广播DGPS校正信息,而未进行用途改动的将逐步停用。但是,不管无线电信标这一技术如何发展,它作为世界上第一个无线电导航系统这是被人们普遍认同的。

2.3　一系列陆基无线电导航系统

自20世纪20年代末开始,在无线电信标的启迪下,各国竞相开展无线电导航技术的研究,先后推出了一批又一批的装置和系统。这些系统中,如奥米伽(Omega)、微波着陆系统(MLS microwave landing system)、仪表着陆系统(IL S instrument landing system)、罗兰C(Loran C)、伏尔(VOR very high frequency omni-directional range)、测距器(DME distance measuring equipment)、塔康(TACAN tactical air navigation)等都是较成熟的、被普遍应用的无线电导航技术成果。

———奥米伽　奥米伽(Omega)是采用双曲线定位法的超远程无线电导航系统,发射频率为(3～30) kHz的连续波,在地表面与电离层之间形成绕地球传播的球形波导,使用巨型天线和特大的发射功率。该系统原理由皮尔斯于1947年提出,由美国海军电子实验室负责实施,六十年代取得突破性进展,1966年实验台开始发播信号,1969年第一台奥米伽接收机诞生。随后,美国在北达科塔建成了第一座奥米伽发射台,到1985年,建成了分布在挪威、阿根廷等地的8个发射台构成的奥米伽系统,第一次实现了导航信号的全球覆盖,所以说奥米伽是最早能实现全球性、全天候、连续使用的无线电导航系统。但随着GPS的推广应用,奥米伽系统已于1997年9月关闭。

———伏尔　伏尔(VOR)是甚高频全向导航系统,于上世纪四十年代末开始研制。它主要是为飞机提供准确的方位信息。它是通过发射两个30Hz 的正弦波,并根据此两正弦波的相对相位与飞机相对于地面台的方位成正比的原理而实现测方位的。伏尔通常与测距器(D ME)和战术航空导航设备(TAC AN)组合使用,这是因为混装的系统不仅能给出方位数据,而且还提供距离信息。在美国,VOR D ME、VOR TACAN的组合构成了飞机的“空中高速公路”。

———测距器　测距器(DME)是为飞机提供距离信息的近程航空导航系统。通过测量机载设备与地面台之间询问—应答脉冲的传播时间而测出飞机离地面台的距离。由于应答能力有限,一个地面台最多允许同时与110架飞机的机载设备配合工作。

D ME的技术源自于二战期间广泛应用的三雷达信标系统,后经二十多年的不断改进与完善,于1961年正式投入使用,通常是与提供方位信息的VOR组合使用,该组合系统被认为是当今安全和可信赖的民用航空导航的基础。

———塔康　塔康(TAC AN)是战术航空导航系统的简称,是为军用飞机同时提供方位和距离信息的

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中国测试技术

2006年9月