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北斗为我们导航,谁在为北斗“导航”?

2020-08-01 09:52:44 来源:
北斗为我们导航,谁在为北斗“导航”?

都知道时空变幻、斗转星移,一般人未必明白“时空基准”(空间坐标标准和时间确定标准的基本参考)在导航系统中重要性。对于全球卫星导航系统(GNSS,GlobalNavigationSatelliteSystems)的使用,地球上人类已经习以为常,日用而不究其所以然了。导航就需要定位,自然离不开时空基准做参考,所以根植于天文观测技术的时空基准技术是所有导航定位授时(PNT,PointingNavigationandTiming)技术的核心基础。

习总书记在2020年新年贺词中谈到:“北斗全球导航建设进入了冲刺期”,对国家基础信息系统中这一至关重要、分秒依赖的国之重器的建设发展成果给予了充分的肯定。我国的GNSS即北斗导航系统自1994年起经过了一号、二号到如今的北斗三号工程,系统性能做到了与美国GPS、俄罗斯GLONASS等相当。

中国科学院作为国家战略科技力量,给予了核心支撑,起到了中流砥柱作用,与工业部门密切协同,较好地履行了“面向国家重大战略需求”的使命担当,本文主要从GNSS原理以及实现精准定位功能所依赖的最核心关键技术-时空基准技术入手来阐述科学院的基础性支撑贡献。

GNSS与时空基准

GNSS基本原理

GNSS从原理上讲,是现代科技手段支撑下面向大空间尺度(地球宇宙空间)的动态的位置解算方法,是高级逻辑即几何学计算依靠现代通信技术、宇航技术等来实现的。

目前,国际上四大卫星导航系统GPS、GLONASS、Galileo和北斗卫星导航系统的定位原理都是相同的,均是采用三球交会的几何原理来实现定位:以卫星为球心,距离为半径画球面;三个球面相交得两个点,根据地理常识排除一个不合理点即得用户位置。用户观测出自身到三颗卫星的距离;用户已知此时卫星的精确位置。

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立体几何三球交会定位原理示意图

GNSS实现定位方法核心概念的着眼点是“到达时间差”(时延),即利用每一颗卫星的精确位置和连续发送的星上原子钟生成的导航信息获得从卫星至接收机的到达时间差。

卫星在空中连续发送带有时间和位置信息的无线电信号,供用户接收机接收。接收机接收到信号的时刻要比卫星发送信号的时刻延迟,即时延,卫星到接收机的空间距离就是通过该时延来确定,由于误差的必然引入所以称为伪距。卫星和接收机同时产生同样的伪随机码,一旦两个码实现时间同步,接收机便能测定时延;将时延乘上光速,便得到距离。

卫星上装有精度极高的原子时钟,可确保时延测量的高精度。但用户接收机的时钟一般并不是原子时间,所以常常需要第四个卫星的信号作为确定时间的参照,接收机需要使用第四颗卫星来决定时间并用来纠正接收机钟差,从而修正接收机时钟造成的距离误差。

因为确定一个空间点需要三维坐标,所以用户只要能看见三颗卫星,分别确定用户到这三颗星的距离就可以求出其位置。

GNSS实现稳定精准定位,时空基准技术是基础

从GNSS原理上可见,由时间算距离,因为光速很大,一个非常小的卫星信号时间差就会导致测量上的巨大误差。针对GNSS星座中每一颗卫星的精确的测定轨技术和体系中各节点精确的时间计量技术是确保GNSS实现精准定位功能的关键技术之中的核心所在,即必须动态精确地建立卫星的坐标和时间基准。每颗GNSS卫星上的星务管理计算机和导航任务生成器非常精确地了解其轨道位置和系统时间,而地球上监测站网保持连续跟踪卫星的轨道位置和系统时间。

例如,对于美国GPS来说,位于科罗拉多州施里弗(Schriever)空军基地内的主控站与其运控段一起,至少每天一次对每颗GPS卫星注入校正数据。注入数据包括:星座中每颗卫星的轨道位置测定和星上时钟的校正。这些校正数据是在复杂模型(坐标变换、参数修正)并结合日常紧密跟踪观测的基础上算出的,可在几个星期内保持有效。GPS系统时间是由每颗卫星上的铯原子钟和铷原子钟保持的,精确到世界协调时(UTC,UniversalTimeCoordinated)的几纳秒以内,UTC是由美国海军天文台的守时钟组保持的,由于铷原子钟的长期稳定性好,目前逐步改变为更多地采用铷原子钟。

由此可见,GNSS作为天地一体化运行的全球域基础设施,固然需要现代微波通信电子技术所包含的一切先进技术,小到微波功率器件的工艺水平,大到卫星监测站全球布局,作为一个人造的巨型产品,卫星测定轨技术和原子钟等计时守时技术(时空基准实现)的精准性精确性水平是GNSS实现精准定位的核心技术之核心。

高精度的卫星导航定位服务对原子钟、时间基准、时间同步等时频类指标要求越来越高,如GPSⅡR、GPSⅡF等系列卫星URE(UserRangeError,用户测距误差,导航星座的用户伪距精度的一个重要指标,用来评判定位性能)性能的提升,核心因素之一就是采用了更加稳定的星钟及相应的高精度时频测量控制技术;Galileo系统试验卫星的伪距测量精度比较高且稳定,在很大程度上得益于其新型星载氢钟的应用。

由于时空不可分割,在GNSS地面段生成轨道(空间基准支持测定轨)和钟差(时间基准支持定时计时)两类基础电文参数中,卫星的钟差获取的精度已成为高精度导航定位服务的主要误差源和发展瓶颈之一,实质上,时空基准问题也正是包含GNSS在内的PNT(PointingNavigationandTiming,定位导航和定时)技术领域发展的基础问题。

时空基准技术与天文物理等相关基础研究的关系

古时人类依靠观星观景来为自身定位定向、航海导航和判断季节时辰等,随着科技的进步,导航技术、方法、手段均变得日益精巧和便捷。但细心观察,会发现原始方法仍然在人们的日常生活中应用着。如常将城市中某座高楼大厦、电视塔、立交桥作为定位定向参考物,甚至一块商店招牌都可成为朋友约会见面的参考点,有些略懂天文的人还会根据时辰利用日月和北斗星等天体协助定方向。

人类花了很多心血来认识地球及其所在的太阳系乃至整个星空宇宙,特别是近代三百年来牛顿和爱因斯坦等人提出的伟大科学理论(牛顿三大定律尤其是开普勒定律,相对论效应也需在距离测算中考虑)和无线电测量技术等的飞速发展,使得人类可以参考人造地球卫星为自身和万物定位导航和授时。

不过,天空中这些人造“北斗星”--导航卫星,依然离不开“观星”作为参考基准和手段来确定其自身的空间指向和位置。这其中,具有千年历史且专注于测量天体位置和运动的天体测量和天体力学,背后默默支撑着全球导航卫星系统(GNSS)的发展,从这点看,古往今来所有时空基准的源头均植根于天文学。

先说空间基准,当今的力学体系下,导航卫星的轨道参数需在准惯性的地心天球参考系中进行解算,但测量是在地面上进行的,这就需要知道测站所在地球位置点相对地心天球参考系的精准位置和姿态。

通常人们认为地球像个陀螺在平稳悠然地自转着,其实并不平稳,而是变化多端、曲折悬疑,大有文章,因为我们需要的是基准,确保精确平稳到细微。日月行星会对地球产生“东拉西扯”的摄动使得地球形变且自转轴在惯性空间产生“西退和点头”(天文术语称其为岁差章动),此外,地球自身的大气和内部物质存在难以精准预测的复杂运动,使得地球各个板块相对地心不停的漂移,而地面上测定空中卫星的测控站在地心天球参考系中也在随地球“飘忽不定”,地球上的“差之毫厘”,卫星那里有可能“谬以千里”。

为了解决这个问题,国际地球自转服务参考组织IERS(InternationalEarthReferenceService,欧美主导,中国是重要成员)协调全球的各类天文望远镜观星测地,准实时地公布地球相对地心天球参考系的各种复杂运动参数结果,为导航卫星定位定轨所需的高精度时空基准坐标变换所用。

此外,作为空间原初参考基准的遥远恒星和河外天体(天文术语称其为天球参考架的基准源)也有极缓慢且微弱的变化,这些天体的位置和运动参数也需要不断更新(目前平均每5-10年更新一次),而这也必须依靠天文测量观测来实现,目前国际上主要的天球参考架均是欧洲和美国编制,我国需要填补独立编制天球参考架的空白,否则一旦后期被欧美断供“卡脖子”,我国的北斗导航卫星系统也会受到影响。北斗坐标系定义按照IERS规范,对准于最新的国际地球参考框架,每年更新一次,中国科学院天文领域专家保持着积极的国际交流,支持北斗建设。

再说时间基准,由于所有的信号都是以光速传播的电磁波,例如每颗卫星随身携带的时钟都异常精准,普遍要达到1000年只差一秒的水平,并由国家统一提供时间基准实现统一计时,这样才能使得“时空统一,推算准确”。时空不能分割,GNSS系统中各节点(卫星上时间、地面段时间、用户接收机时间)的时间信号同步性是要求极高的,否则无法精确做到由时间推算距离。

由于只有原子钟做到了高精度的计量时间能力,所以,建立在现代原子分子物理学并以激光波谱探测等高精密光电技术为表征基础上的高精度高稳定性原子钟技术(星载、地面)成为必需的手段。

中国科学院为GNSS时空基准提供基础性、核心性支持

我国的GNSS即北斗导航系统是中国航天史上规模最大、系统建设周期最长、技术难度最大、信息交融最复杂、全球覆盖面最广的重大基础设施工程,是我国自主建设、独立运行、与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统。

从GNSS原理上看,现代卫星导航系统的技术实现基础是伪距测量,伪距测量的本质是时间测量,用于导航定位的伪距观测方程实际上就是各类时延关系的综合表达,可见时间基准在测量关系的链条中是最基础最核心的部分,当然空间基准反应了空间大尺度坐标(地球坐标系、天球坐标系等在观星定轨中必不可少)的准确度,宇宙万物置于其中,自不必说。

“千里之行,始于足下”、“基础不牢,地动山摇”,中国科学院天文领域研究所一直为国家卫星导航系统事业的建设发展默默耕耘支持,深耕天文积累,转化基础研究,国内最早在空间坐标和时间基准测量确定技术方面提供基础支持并一直引领着同行业相关技术的发展。

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