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浅析GPS技术在我国的发展与应用

2/14/2005来源:卫星通信人气:10877

中国全球定位系统技术应用协会 王丽


  我国自20世纪80年代末引进GPS接收机以来,在理论研究、应用技术开发、接收机制造等方面不断取得进展。“九五”期间,以GPS技术应用为代表的民用卫星导航、定位技术日趋成熟,在各行业得到了广泛的应用,极大地提高了传统生产作业的效率与精度,解放了高强度的体力劳动。我国自主的导航定位系统整体方案目前已付诸实施,与国际先进系统相近的自主系统在理论、整体方案设计、关键技术上有了长足的发展。

  俄罗斯GLONASS系统的运行和欧洲伽俐略计划的开展与实施,已引起我国有关主管部门与应用部门的关注,并开始筹划建设广域增强系统,跟踪研究双模式星座应用中的参考框架、不同类型的数据处理分析及兼容机的研制等问题。

放眼全球GPS

  以美国GPS技术和俄罗斯GLONASS为代表的卫星导航定位系统在世界范围内得到了广泛的认可与应用。尤其是美国为保持在这一领域的垄断地位,一方面取消了限制政策,一方面改进GPS的系统性能(即GPS技术沿着卫星系统性能改进、接收机性能改进和导航定位方法完善三方面发展),鼓励私营公司投资GPS事业,鼓励GPS导航定位系统成为国际标准。这一政策大大地鼓舞了美国及世界各大公司发展GPS产业的信心,并推进了GPS的应用和产业的发展。据美国GPS产业协会推测,美国GPS产业2000年的销售额由1995年的12.6亿美元猛增至85亿美元。除俄罗斯外,欧盟等国也在相继发展各自的GPS,自主开发GPS产品,以便占有导航定位市场,掌握控制权。因此,卫星导航定位的产业化和竞争都将进入新的发展阶段。

  GPS今后的发展趋势将体现在以下几方面:

● 卫星系统的更新与多个卫星定位系统共存,将明显改善卫星导航定位的精度和可靠性。

● 双频高精度测地型接收机将继续高度垄断在几个技术领先的GPS厂家手中,美国将继续保持其绝对优势。

● 单频测地型接收机和导航接收机OEM板产业将扩散到世界各地,虽是低档次的GPS产品,但用途广、用户多、市场大。美国把GPS单频OEM板的生产技术转让出口,因而推动了世界各地企业投资GPS OEM的生产。

● 陆地导航定位产品将成为发展最快的GPS产业。

  聚焦中国GPS

  我国在卫星导航定位应用方面主要是以美国的GPS技术为主。随着GPS技术的深入发展,近10年来,我国在理论研究与技术应用方面都取得了很大的进展,所引进的GPS接收机主要应用于测绘、资源勘探等静态定位领域,逐级布设控制,成倍地提高了作业效率,为国家节约了大量经费,并在过去人迹罕至的高原、沙漠、海洋获得了大量的定位成果,为国家制图、城乡建设开发、资源勘察等做出了贡献。

  近几年来,我国在应用GPS技术上取得了一定的成绩。国家测绘局已完成了国家高精度GPS空间定位A、B级网,形成了具有厘米级精度的我国三维地心框架基础及我国大板块间的速度场模型;建立了8个卫星定位精度达米级的GPS永久性跟踪站及数据处理中心,从1997年起,开始发布我国GPS精密星历,从根本上解决了我国使用参考框架的问题。

  国家测绘局、国家地震局和总参测绘局共同完成了高精度地壳运动监测网的建设,为监测全球板块运动和区域地壳形变,预测地面沉降与海平面变化提供了大地测量坐标框架体系。

  交通部门为引导船舶精密进港,在我国沿海建立了10个差分台站,解决了局部精密导航的需求。

  一些科研院所、大专院校等成功地开展了GPS动态监测系统在大坝、桥梁、高层建筑变形监测的应用;在全国完成了分布式广域差分科学实验,并建立了多种服务模式的GPS差分示范站,其中解决了包括通信链路接口、数据处理软件、服务信息库管理等多种技术难点,为差分GPS技术的推广应用做了有益和有效的前期工作。

  目前已有众多的国内外厂商进入国内市场,推出了车载GPS自主导航系统、GPS车辆监控与调度管理系统、便携式地理数据采集设备、国产GPS RTK测量系统、星基差分定位系统、广域差分终端等,扩大了GPS技术的应用领域。

  城市规划、设计部门将GPS技术广泛应用于城市建设测量、工程测量、交通设计、施工测量等。石油、地质部门利用GPS技术进行石油地质勘探以及地质灾害监测,取得了良好的社会效益和经济效益。

  为了缓解日渐拥挤的城市交通,利用GPS与通信相结合用于车辆指挥调度,大大改善了交通拥堵状况以及交通事故的处理速度。如北京、上海的交通管理部门均建立了GPS车辆指挥调度中心。此外,警用车、急救车、运钞车、长途货运车等特种车辆都在尝试利用GPS进行监控指挥调度,这是对GPS技术深层次开发应用的前奏。

  由于GPS的全球性、全天候、高精度、实时性等特点,其在军事及民用各个领域的应用不断扩大和深入,已经逐步从引进、消化吸收阶段进入了现在的发展起步阶段。但在实际应用中,还存在着很多问题,它们制约着我国GPS产业化的发展。

  前进路不平

  目前,我国在发展GPS的过程中还存在一些问题,主要集中在以下方面:

  (1) 我国缺少系统的整体的空间对地观测发展计划,特别是在空间技术实力薄弱的条件下,应用方面统筹协调不足,基础研究薄弱,同时也缺少一个权威性的国家协调机构。

  (2) 在集成电路工艺方面,高频芯片技术还未过关,而利用进口OEM板生产导航机或单频接收机,其工业质量控制体系未形成,没有工业标准。

  (3) GPS核心软件商品化程度不高,往往把复杂的系统工程简单化,将实验室样品操之过急地当工业化产品推向市场,反而拖累了尚未形成的市场。

  (4) 在GPS行业中,存在着低水平重复引进、低水平生产等无序竞争现象,亟待国家政策引导,以及相关部门认真管理,进行规范化与标准化。

  (5) 通信链路的速率也制约着GPS技术的应用,成为重要的瓶颈,急需有关部门进行专项研究,扩频现有公众网或专门搭建一个GPS公用平台。

  (6) GPS技术应用是全球性的,而目前我国的资料保密制度与这种开放性的现实相悖,在很大程度上不利于我国GPS技术的应用和发展。

  基于我国目前的政治、环境、经济条件和市场需求,我们应大力发展GPS产业,系统地建立国家级GPS多功能综合服务体系,力求使我国广大用户能够长期、安全、经济、有效地利用GPS资源。鉴于此,2002年2月,国家计委发出了关于组织实施《卫星导航应用产业化专项的公告》,专项的目标是:基本构建产品研发制造、系统标准规范和信息综合服务三大体系,为卫星导航应用产业的发展创造良好的环境;突破若干核心技术,加快应用产品的产业化,为卫星导航应用产业的发展提供技术支撑及物质基础;建设一批卫星导航应用示范工程,在技术和应用方面接近国际先进水平,初步形成卫星导航应用的产业规模。

  产业化和应用服务体系待发展

  随着高新技术的不断发展,各行业技术的相互交叉以及发展领域的相互渗透,卫星技术应用走向产业化已是大势所趋,成为不可阻挡的潮流。根据我国卫星导航应用产业化的目标,应做到充分发挥高新技术创新主体的主导作用,以市场牵动方式为主,开发面向广大GPS用户终端的、成本低、适用性强的系列产品,逐步提高市场占有率,实现规模经营。开发自主版权的模块化构架产品,研制自主的多功能、标准化系统软件,发展自主车辆导航、监控调度等集成系统产品,规范国内市场结构、运转机制和竞争环境,形成健康、有序的市场体系。

  1.软、硬件系统产业化

  芯片、核心板产业 摆脱基础产品完全依靠外国的被动局面,用技术引进的办法在短期内突破芯片设计制造的技术难题,生产出具有自主知识产权的芯片,为卫星导航定位系统用户机的产业化发展奠定基础,并在此基础上同步进行二次开发,形成板级、整机级、系统级的系列化产品,真正成为信息产业重要的新的经济增长点。

  用户终端 不同类型的GPS用户对GPS信号的需求也不同,根据用户的需求,开发出系列化的不同用户产品(终端),如车载GPS导航仪、移动差分GPS用户接收机、GPS/GIS信息集成系统、农业用GPS自控导航仪、GPS气象传感仪、组合手表等消费类产品、GPS/GLONASS组合产品等。

  数据传输硬件设备 数据传输建设对于GPS接收机开发、基础设施建设和用户沟通尤为重要。目前车辆载控数据传输的无线通信手段主要有:专用网、公众网、集群网及卫星通信等,基于不同的数传手段,合理开发和研制出不同的硬件传输设备,保证不同的设备具有较好的兼容性、移植性、升级能力等。随着第三代移动通信技术和宽带技术的发展,根据数字通信的标准和特点,制定新的接收机标准,开发第三代、第四代卫星导航接收机。

  软件系统 在发展硬件系统产业的同时,必须开发面向一系列用户的应用软件,为开拓硬件系统市场提供有效的服务。另外,还要面向国际、服务于国内,通过协会的形式,组织制定软件标准,如车载导航用导航数据库标准、数据采集和更新标准,配合全球通信服务和计算机网络服务,开发大众消费类数字化家用服务软件。

  2.应用服务网络体系

  应用服务网络体系必须定位于信息服务第三产业,从服务基础设施建设入手,避免低水平重复引进,因此,应像建立通信网络和电力网络、高速公路网络等基础设施一样,建立以导航定位、定时、防灾减灾、环境保护为服务对象的国家GPS导航定位信息应用服务网络体系。

  GPS呼唤政策支持

  民用卫星导航定位是我国开展卫星应用的一个重要方面,在军事、经济和科研领域将发挥越来越大的作用。鉴于目前国际上发展趋势和国内应用现状,国家相关部门在给予资金支持的基础上,还应在政策与措施上加大指导力度。

  (1) 国家应加大对民用卫星导航定位基础设施的投入。以实时和事后GPS导航定位为目的的基础设施建设是国家重要的战略设施和战略资源,涉及国防安全、社会稳定和经济可持续发展,因此,国家应该占据主导地位。

  (2) 成立统一协调和指导的行业管理机构,建立国家统一的技术标准、数据交换标准和共享原则。对目前国内各部门、各行业存在的应用标准各异、种类繁多、难以协调的现象,统一加以规范和指导,走高水平、有序化发展的道路。

  (3) 保密政策在保证国家安全的同时,也要适应新时代发展的需要,探讨和制定科学、合理、有效的保密法规,是当前推进我国卫星导航定位技术的重要环节,有关部门应尽快协商、制定出合适的保密政策。

  (4) 应站在国家的角度上,在政策、技术、资金上指导和推动我国卫星导航定位产业的发展,在相关技术的集成利用方面,逐步形成我国自主的软硬件和应用系统的研究与开发体系。

  全球定位系统

  全球定位系统(Global Positioning System,GPS)是美国研制的第二代卫星导航系统,由美国国防部于 1973年开始组织实施,1978年发射第一颗卫星,1994年7月全部完成,是目前技术最成熟且已真正实用的一种卫星导航和定位系统。它汇集了当代最先进的空间技术、通信技术及微电子技术,以其定位精度高、全天候获取信息、仪器设备轻巧、价格较低廉等诸多优点而被世人瞩目。整个系统历时20年,耗资130多亿美元。目前,该系统已正式投入商业运营,每年的营运和维修费用约为2.5亿~5亿美元。

  GPS系统共包括三大部分:一是空间部分,由运行在6个轨道上的24颗卫星组成,目前在轨的工作卫星经常保持在27颗左右;二是控制部分,包括设在美国科罗拉多州的主控制站和5个分布在各地的检测站,主要任务是对系统工作进行管理、监测和控制;三是用户终端设备,包括GPS接收机、显示器等。前两部分由美国国防部负责。

  由24颗卫星组成的卫星星座,能使地球上任何地方的用户在任何时候都能看到至少4颗卫星,它利用同时收到的4颗卫星的信号,可得到所测目标的位置和速度及时间,且同时可有无限多个用户使用,全天候地实现全球导航、定位和授时。1978年发射的导航星-1的主要参数为:星重433kg,星成圆柱体,带4个翼面,高5.33m,轨道近地点20095km,远地点20308km,轨道倾角63.37°,轨道周期718.67min。(曹冲)

摘自《计算机世界报 第34期》