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第111章 天眼导航卫星（第1页）

卫星导航的重要性是一个国家不可或缺的，随着科技和经济的不断发展，不论军事上，还是民用上都会用到导航。

1997年，漂亮国关闭对龙国一艘远航货轮的导航，使该货轮在大洋中迷失方向漂流了几十天。让当时的商业部领导大呼十几声“窝囊啊。”

2000年龙国才发射了第一颗导航卫星。李文龙现在就是要提前介入，打破漂亮国的布局。

一大早江老就到四合院来接李文龙。一起来到航天大楼的会议室。几次参加各个研究所的讨论和讲解，交给他们相关数据和资料的时候李文龙都稍微改变一下自己的容貌，都贴了胡子让自己老成一些。

这次参加的人员有一百多人，汇集了航天研究，卫星研发，火箭发射等多个部门和研究所的主要专家和负责人。

李文龙在台上把设备装好，打开投影。喝了口茶：“我现在说的是漂亮国已经在用的卫星导航系统。”

“全球定位系统，简称GPSS是一个由漂亮国政府开发的先进卫星导航系统，可以为地球表面绝大部分地区（大于98%）提供准确的定位、测速和高精度的标准时间。其根源可追溯到20世纪50年代末的空间竞赛。GPSS的发展始于对第一颗成功进入地球轨道的卫星——苏国的“斯普特尼克”发射的无线电信号的研究。这些信号的多普勒效应使科学家能够追踪卫星的运动，进而开发出利用卫星信号来确定地面接收器位置的技术。这项技术最初被用于军事导航，尤其是用于漂亮国海军的导弹潜艇。随着技术的发展，GPSS逐渐成为民用和商业领域中不可或缺的一部分，从手机中的简单时间坐标显示到自动驾驶汽车等更复杂系统的应用，GPSS技术都扮演着关键角色。”

“漂亮国1973年启动了GPSS项目，旨在为全球提供精确的时间和位置信息。自1978年发射首颗卫星开始，计划1994年完成由24颗卫星组成的星座配置，GPSS将成功实现全球覆盖。随后，将启动的GPSS现代化计划着重提高了卫星和地面系统的性能，特别是在精度、信号有效性和可靠性方面进行了优化，并计划增加了多个民用信号，显着提升了GPSS在民用领域的应用性能。将使得民用GPSS的精度得到了显着提升。这些技术进展确立了GPSS作为现代导航和定位领域核心技术的地位，广泛应用于军事、民用和商业领域。"

GPSS具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位的能力。其显着特点包括全天候工作、高定位精度、多功能应用、全球覆盖和易于操作。GPSS的应用非常广泛，涵盖了导航、大地测量、资源勘察、地球力学等多个领域，对国民经济的各个部门和人们的日常生活产生了深远影响。GPSS系统将计划由31颗在轨运行的操作性卫星组成，但不包括已退役或作为在轨备用的卫星。此外，该系统还包括地面支撑系统（主控站、注入站和监测站）和用户设备。”

“我设想将我们的导航卫星作为我们国家在天空中的眼睛，可以叫做“天眼”导航系统。”

“将天眼计划的实施共分三个阶段：

第一阶段（方案论证和初步设计）

发射了4颗试验卫星，这些卫星的轨道长半轴为公里，倾角为64度，轨道高度为公里。主要任务是研制地面接收机和建立地面跟踪网，结果表明设计理念和技术的可行性。其间天眼卫星技术要历经多次重要的迭代与革新，这些卫星的星钟与星历参数都是基于地面控制段的实时估算进行预报，并每天注入一次，以确保导航的准确性与可靠性。

第二阶段（全面研制和试验）

几年后陆续发射了7颗试验卫星，并研制了多种用途的接收机。实验结果显示，天眼定位精度远超设计标准，即使仅使用粗码定位，其精度也能达到14米。研究开发氢原子钟卫星可以带来10?14天的相对频率稳定度，从而将定位误差进一步减少至1米以内。氢原子钟的会让天眼定位技术的重大飞跃，大幅提高定位的准确性和可靠性。最终由21颗工作星和3颗备份星分布在互成30度的6条轨道上，确定天眼卫星所使用的工作方式。”

第三阶段（实用组网）

预计7-8年后具备实用功能的天眼网即（21+3）的天眼星座建成，后续将根据计划更换失效的卫星。”

“最后民用领域的开放。

我们天眼现在设计为军事应用，但随着时间和科技的发展，其在民用领域的应用也会逐渐增加。天眼系统一旦建成，将向公众开放。提供了两种测距码：军用的P码和民用的CA码。取消了对民用信道的SA干扰信号，可以激发广泛的民用应用和产业发展。”

李文龙停顿一下喝了口茶继续说：

“现在说说定位原理和系统原理。

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苏国成功发射第一颗人造卫星后，漂亮国约翰·霍布斯金大学应用物理实验室的研究人员提出了一个设想：如果我们能够通过观测站的位置来确定卫星的位置，那么理论上，我们也应该能够通过已知卫星的位置来测量出接收者的位置。这一设想成为了导航卫星的基本理念。GPSS导航系统的工作原理是通过测量已知位置的卫星与用户接收机之间的距离，并利用多颗卫星的数据进行综合分析，从而精确确定接收机的具体位置。想要达到这一目的，卫星的位置需要通过查询星载时钟记录的时间和卫星星历数据来确定。用户与卫星之间的距离则通过测量卫星信号传播到用户所需的时间来计算，这个时间乘以光速即得到距离。但由于大气层和电离层的干扰，这个计算出来的距离并不是真实的直线距离，而是被称为伪距。GPSS卫星通过发射含有伪随机码（伪码）的导航电文来正常工作。这些伪码主要包括民用的CA码和军用的P（Y）码。CA码的频率是1.023MHz，重复周期为一毫秒，码间距为1微秒，相当于300米的距离；而P码的频率是10.23MHz，重复周期长达266.4天，码间距0.1微秒，相当于30米的距离。Y码则是基于P码发展而来，具有更高的保密性能。GPSS导航电文包含了卫星星历、工作状态、时钟修正、电离层时延修正、大气折射修正等重要信息。GPSS系统通过解调卫星信号来获取导航电文，并以每秒50比特的速率在载频上进行调制后发射。每个GPSS导航电文主帧包括5个子帧，每个子帧持续6秒。其中，前三个子帧包含10个字码，这部分内容每30秒重复一次，并且每小时更新一次。而后两个子帧的总数据量为比特。导航电文主要包含遥测码、转换码和第1、2、3号数据块，其中星历数据最为关键。用户接收到这些导航电文后，可以通过比对卫星时间和自己的时钟来计算与卫星之间的距离。同时，利用电文中的星历数据可以确定卫星在发射电文时的确切位置。根据这些信息以及WGS-84大地坐标系，用户就可以精确地获知自己的位置和速度。需要注意的是，由于用户接收器的时钟与卫星的时钟不总是完全同步，因此在计算过程中还需要引入一个时间差Δt作为一个额外的未知数。这个时间差代表了卫星与接收机之间的时间差异。为了解出用户的三维坐标（x、y、z）以及时间差Δt，需要至少接收到4个卫星的信号，并用4个方程来求解这4个未知数。GPSS卫星的信号传输是通过特定的调制技术实现的。这些技术包括CDMA（码分多址）和PSK（相位偏移键控），使得多个卫星可以在相同的频率上发送信号，而不会相互干扰。CDMA技术允许每颗卫星使用独特的伪随机噪声（PRN）代码，确保接收机可以区分并跟踪来自不同卫星的信号。"

"差分全球定位系统（DGPS）是一种基于已知参考坐标点的技术，用于修正GPS的误差，进而提升其定位精度。其工作原理主要是利用附近的已知参考坐标点（这些坐标点通常由其他高精度测量方法获得）来计算GPS接收机的位置误差，并将这一即时误差值纳入位置计算中，以得到更为准确的位置信息。通过这种方式，DGPS能够有效地改善GPS的定位精度，为用户提供更可靠、更精确的位置服务。

具体操作上，一般会在一个基准站上安置一台GPSS接收机进行观测。利用基准站已知的精确坐标，计算出基准站到卫星的实际距离。然后，将这个距离与由于误差存在导致的基准站接收机观测到的伪距离进行比较，得出一个差值，即改正值。这个改正值会由基准站实时地发送出去。与此同时，用户的接收机在进行GPSS观测的同时也会接收到这个来自基准站的改正数。通过对接收到的改正数进行应用，用户的接收机可以修正其定位结果，从而消除公共误差。虽然差分技术可以完全消除某些类型的误差，例如卫星钟误差、星历误差等，但对于其他类型的误差，例如对流层和电离层的延迟误差，只能消除其中的大部分，而无法完全消除。然而，由于这种技术可以显着提高定位的精度，因此得到了广泛的应用。

根据差分GPSS基准站发送的信息方式，差分GPSS定位可以分为位置差分、伪距差分和相位差分三种。这三类差分方式的工作原理大体相似，都是基准站发送改正数，用户站接收并应用这些改正数来修正其测量结果，从而得到更精确的定位结果。它们的主要区别在于发送的改正数的具体内容不同，这也导致了它们的差分定位精度有所差异。

DGPS技术的应用可以大幅度提升GPS的定位精度，将其从标准GPS系统在水平方向上的5-10米定位精度提升至亚米级甚至厘米级，从而在航空、航海、测量和地理信息系统（GIS）等需要高精度定位的领域发挥巨大作用。"

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“然而，DGPS技术的实施并非易事，它面临着一些实际的限制和挑战。要实现高精度的位置信息获取，必须在移动站和基准站之间建立实时的通信连接，这可能需要额外的专门通信链路，从而增加了系统的复杂性和实施成本。同时，DGPS技术的性能也会受到如信号遮挡、多路径效应、大气延迟等多种因素的影响，这些因素都有可能导致位置信息的误差增大或者无法获取。因此，在使用DGPS技术时，我们需要充分考虑其技术的适用性和限制条件。”

“尽管如此，差分技术还是具有与其他定位技术结合使用的巨大潜力，可以形成更为强大的混合定位系统。例如，将DGPS与惯性导航系统（INS）进行融合，使用符合滤波器创建出一种高精度的DGPSINS的混合定位系统。这种系统不仅能享受到DGPS提供的高精度位置信息，同时还能利用INS提供的连续导航能力，从而实现更高精度的定位和导航。”

李文龙一直坚持地解说着，完全没有时间观念。底下坐着的一百多人，里面还有很多都是60以上的老者，全都仔细的聆听和记录着。

谁都不知道过了多少时间，李文龙又喝了口茶，看了下手表。心里暗骂一句：“阴公啊，都下午四点多了”

“对不起了，没有注意时间，耽误大家吃饭和休息时间了。”

李文龙赶紧对大家鞠躬道歉。

“说什么呢？是我们耽误你时间了，大家随便吃点再继续。”这位应该是中枢的一位负责这方面的领导说。

“赶快让人拿些包子来，吃完继续。”

马上有人把准备好的包子糕点拿了进来分给大家。

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