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精度提高到1.2米,北斗系统如何实现高精度定位服务?

时间:2020-12-04 09:18来源:未知 作者:xabdxl 点击:
《新华每日电讯》报道,10月14日,中国信息通信研究院发布北斗高精度定位服务平台(北斗定位2.0版),可将民用手机的定位精度提高到1.2米。这意味着我们在驾驶车辆行进时,手机“导航”就能告诉我们是在主路还是在辅路。近期,华为发布的新款手机就实现了亚米级

  精度提高到1.2米,北斗系统如何实现高精度定位服务?

  《新华每日电讯》报道,10月14日,中国信息通信研究院发布北斗高精度定位服务平台(北斗定位2.0版),可将民用手机的定位精度提高到1.2米。这意味着我们在驾驶车辆行进时,手机“导航”就能告诉我们是在主路还是在辅路。近期,华为发布的新款手机就实现了亚米级北斗导航定位,可进一步分清我们车辆行驶在主路或辅路的哪个车道。

  那么,北斗系统是如何实现这一高精度定位服务的呢?这是许多读者和用户关心的问题。今天,就让我们一起走进北京卫星导航中心一探究竟。

  北斗系统高精度定位服务的秘诀

  ——专访北京卫星导航中心主任、北斗地面运控系统副总指挥刘勇

  ■张晶宇 杨思佳 史青霞 解放军报记者 安普忠

           

 

  北斗三号星座由3颗地球静止轨道卫星、3颗倾斜地球同步轨道卫星和24颗中圆地球轨道卫星组成。

          

 

  地面运控系统将星历、钟差等信息上注北斗卫星,卫星发射导航信号并传递相关信息,用户终端接收可见的卫星信号和信息后进行解算,便能实现导航定位。

  天地一体的团结协作

  记者:大家知道,北斗系统有很多分系统和设备,它是如何向用户提供定位服务的呢?

  刘勇:北斗定位服务需要北斗卫星、地面控制中心、用户接收机相互协作实现。首先,北斗卫星发射信号告诉用户卫星当前的位置和时间,用户接收到4颗以上卫星信号后,可同步获得从用户到卫星的距离信息。基于距离信息、卫星的位置和时间信息,就能计算出用户自身的位置。这就是北斗基本的定位过程,用户一般可实现米级的定位精度。

  这一过程看似简单,却离不开天上几十颗北斗卫星、地面上万台(套)设备连续精确的配合。同时,需要采用世界上“最准的节拍器”——时间统一系统。时间统一系统首先通过高精度的原子钟组,实现时间的精准维持,可以做到300万年不差一秒。然后,通过多种手段向北斗系统上万台(套)设备发送“对表”指令,确保测量通信、数据处理、规划控制等分系统和设备的时间,同步精度控制在千万分之五秒以内,为北斗系统提供服务奠定基础。

  时间统一系统一般不出问题,可一旦出问题就是大问题。2018年7月,欧盟伽利略系统因为时间统一系统故障,导致系统“停摆”长达117小时。这些年来,我国通过不断增加守时钟组规模、改进守时算法和授时技术,以提升时间统一能力。

  除了系统运行服务,北斗系统建设更需要上万人的团结协作。在北斗三号系统建设过程中,我们除了支撑3年30颗卫星的联调联试之外,还紧锣密鼓地推进地面设施建设。通过合理筹划、共同努力,地面站点建设提前半年高质量完成,顺利投入使用,保证了北斗三号系统的正常开通。

  精益求精的自主创新

  记者:您经历了两代北斗系统的建设和发展,可以说亲历了北斗系统服务性能提升发展的过程,重点区域定位精度大幅提升,还具备了分米级定位服务能力,请您谈谈这是靠什么实现的?

  刘勇:这主要靠我们北斗地面控制中心团队在技术上坚持精益求精、二十多年如一日的自主创新。

  地面控制中心是北斗系统运行和服务的核心枢纽,调度着分布在全国的地面站网,管控着整个北斗卫星网络,因而又被称为北斗的“最强大脑”。地面控制中心的主要职能,可以概括为测、算、注、传。首先汇总融合地面站网的海量数据,利用几百台处理器计算北斗卫星的精确位置、星载原子钟钟差及其误差的改正信息,然后按照计划,按时把相关信息上注卫星后传送给广大用户。

  北斗定位精度实现提升的关键在于,我们算的能力和手段的不断提升。这其中,卫星定轨和卫星钟差测定技术比较典型。

  北斗系统在世界上率先采用混合星座布局。星座由地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星组成。测定不同种类卫星在太空中的位置,又称为卫星定轨,难度极大。北斗系统采用独创的多星联合定轨策略,不断精化定轨模型,设计了巧妙的星历误差改正计算方法,将定轨精度提升了10倍,可以计算出远在36000公里和21000公里外卫星的位置,不差几分米。同时,创新采用先进的轨道预报方法,可以准确预报几个小时后北斗卫星的位置。即便卫星失联几十天,也能准确预测卫星的位置。

  北斗系统建设早期,星载原子钟不能满足高精度定位需求。在卫星性能无法提高的情况下,地面控制中心创新采用多种技术手段,实现了地面“强星”:首先,采用双向时频传递技术测定钟差,即让卫星和地面站之间先后发信号,通过相同的传播路径剥离信号传播时延的影响,实现高精度卫星钟差测定。其次,建立准确的星载原子钟在轨评估模型,优化预报方法,实现更为精准的钟差预测。

  此外,通过进一步创新电离层延迟、硬件时延等误差的计算和应用技术,北斗系统重点区域的定位服务能力从北斗一号的20米提升到目前的5米,达到与GPS相当的水平。基于北斗系统的分米级星基增强服务,可以实现车道级的导航定位。市场上出现的基于北斗系统的商用高精度定位服务,与我们的分米级星基增强服务模式不同,但也受惠于北斗系统定位能力的提升。

  稳如泰山的运行管理

  记者:刚刚提到了国外卫星导航系统的服务中断现象,我们理解,系统稳定运行是高精度定位的前提,否则一切服务都无从谈起。那么,北斗系统在这方面是怎么做的呢?

  刘勇:北斗系统作为国家重要的基础设施,是经济社会命脉的重要支撑,一分一秒都不能停。如果中断一天,就可能造成上百亿元的经济损失,丧失掉用户的信任。搞好卫星导航系统的运行管理,有三点最重要:

  第一个是责任心要强。北斗系统开通以后,需要24小时昼夜“守护”,随时处置各类突发情况。我们的运维人员为了应对系统运行中出现的突发情况,自发整理汇编了数百套应急处置方案,每年预先解决了上千个故障隐患,确保系统稳定服务。

  第二个是队伍能力要强。目前,中心硕士以上人员占比达60%以上,通过我们内部的创新激励机制,自主创新不断涌现,这是中心整体业务能力始终蓬勃向上发展的保证。

  第三个是规章制度要严。北斗系统运行牵涉面广,地面控制中心建立了严格的运行管理制度,用制度约束人、用管理保精稳。作为中心工作的生命线和底线,北斗系统建成服务至今6000多天,像泰山一样稳定可靠,从未出现过服务中断现象。

  开放包容的服务理念

  记者:北斗三号系统开通服务后,在进一步提升系统服务能力上有什么打算?

  刘勇:北斗三号系统正式开通后,向纵深推广北斗系统应用、确保系统高标准稳定运行是我们重中之重要做好的两项工作:

  一方面,是加快北斗特色应用推广,特别是做好高精度定位服务。北斗系统目前的星基增强和精密单点定位服务,可为中国及周边地区提供动态分米级、静态厘米级的高精度定位服务,满足自动驾驶、国土测绘、精准农业等领域用户高精度服务需求。在应用模式上,我们欢迎北斗应用与各行业应用的深度融合,推进“北斗+”和“+北斗”的各类创新应用。

  另一方面,是加强北斗系统稳定运行。持续强化系统运行管理能力,优化完善各项规章制度,不断提升系统的智能化运维程度,吸取国外卫星导航系统运行管理的经验教训,确保系统更加精稳、更加可靠。

  (来源:中国军网-解放军报)

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(责任编辑:xabdxl)
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