GPS在太空中能用吗(全球定位导航系统（GPS）在航空物探中的应用)

GPS在太空中能用吗

导航定位系统是通过有导航卫星系统来实现定位功能的，有导航功能的卫星系统包括美国的GPS、我国的北斗卫星，俄罗斯GLONASS等，而且大多数的导航卫星都位于高轨，属于高轨卫星（也是地球同步卫星），导航天线朝下，所以GPS导航目前无法在太空中使用，能实现自主定位的范围应在高轨（地球同步轨道）以下。

全球定位导航系统（GPS）在航空物探中的应用

董继国

（地质矿产部航空物探遥感中心，北京　100083）

全球定位系统（GPS）是美国历时20余年开发成功的一种无线电导航系统。它将被用来逐步取代目前使用的其它无线电导航系统，并使全球导航真正得以实现。GPS系统现已正式投入使用，可向全球用户提供高精度的三维位置、速度和时间信息，被誉为20世纪的重大技术突破之一。GPS技术推广应用，使航空物探测量获益匪浅。1987年地矿部航遥中心引进GPS接收机，GPS导航定位系统的应用不仅简化了航空物探测量设备，提高了导航定位精度和测量总精度，扩展了航空物探调查领域，也极大地提高了航空物探测量生产效率，已成为航空物探之首选导航定位手段。

一、不同导航定位方法比较

导航定位在航空物探测量中的重要性是众所周知的。航空物探测量开始是以地形图目视导航，逐步发展到地形图目视－照相、仪器导航定位，如双曲线、多普勒（辅以照相或录像）、应答导航定位系统等，有力地促进了航空物探事业的发展。地形图目视、照相及录像定位精度取决于地形图和领航、判图的精度。无线电导航定位系统主要使用电磁波频谱中的中频、低频和甚低频带，频率低、作用距离远而精度低，频率高、作用距离近而精度高。该系统与GPS相比，受地形和控制区域限制，设备庞大笨重，需要人员较多，无线电信号接收、发射受环境影响较大，仪器故障较多，导航定位精度一般不高。表1列出了不同导航定位方法定位精度对比。它说明，随着导航定位技术进步，定位精度在不断提高。

表1　不同导航定位方法定位精度对比

二、全球卫星定位系统

全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS），是美国对海上、陆地和空中设施进行高精度导航定位要求而建立的。GPS作为新一代卫星导航定位系统，不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航定位能力，而且具有良好的抗干扰性和保密性。全球卫星导航定位系统的迅速发展，引起了各国普遍关注。特别是近十年来，GPS技术在应用基础的研究、新的应用领域的开拓、软件和硬件的开发方面都取得了迅速发展。

原苏联也有类似的系统，称为全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，简称GLONASS），现由俄罗斯接管。GLONASS与GPS的一个主要区别是GLONASS采用频分多址技术区分卫星信号，而GPS则采用码分多址技术。GLONASS不存在SA（Selective Availability——选择可用性）干扰，能为民用用户提供精确的定位。GPS有SA干扰，向民用用户提供100m的精度。目前，已有双星座单频接收机，可充分利用上述的空间技术，提高单频C/A码接收机的导航定位精度，组合星座的定位精度可达16m左右。

三、GPS在航空物探测量中的应用

GPS系统向民用用户只提供标准定位服务（SPS），利用粗码（C/A码）定位，精度可达14m。由于美国采取了SA政策，降低民用GPS的定位精度，规定水平定位精度为100m，垂直测量精度为157m。

在航空物探勘查中，GPS导航定位系统显著提高了航迹定位精度、改善了测线疏密度和测量总精度。与其它导航定位系统相比，精简了设备和人员，提高了生产效率。利用这些技术，航遥中心第一次完成了塔里木盆地东部地区高精度航磁勘查。表2列举了在SA干扰下野外工区实测GPS静态数据，对于1:5万及其它中小比例尺航空物探调查，该精度可以满足航磁规范要求。

表2　野外工区TANS-11型GPS静态观测数据

四、事后差分GPS在航空物探中的应用

事后差分GPS系统的定位精度可以满足任何比例尺航空物探测量的定位要求，且经济易行，但不能保证其实时导航精度。

在山东枣庄工区进行的以寻找金伯利岩岩管为目的的航磁测量，局部地区要加密至线距为100m的大比例尺飞行。经过对测区的地形和差分GPS调研情况综合分析，由于无法建立地面数据通讯链，不能采用实时差分GPS方法，所以，决定采用事后差分GPS，其定位精度可以满足大比例尺勘查要求，保证大比例尺的测网疏密度；而且，事后差分设备简单，安置方便，与实时差分相比，生产成本较低。1995年7月至11月，利用事后差分GPS方法为磁测作业动力滑翔机导航定位，共飞行32架次，完成17000测线公里。航磁测量总精度在1:2.5万测区为±1.75nT,1:1万测区为±1.49nT。投入生产之前，对事后差分GPS做了近距、远距静态测试，验证其定位精度和控制范围（表3和表4），并在生产期间进行了差分GPS与单GPS的静态对比试验（表5）和简单的差分GPS与单GPS动态测试（图1）。受技术条件限制，测试方法比较简单。飞机在机场上空沿水泥跑道边做航高为30m的超低空直线往返飞行，在飞行中测试人员观察飞机的偏航。试验表明，与单GPS比较，差分后的航迹与实际飞行相符，收敛较好，定位精度有明显改善，飞机保持在指定航向上飞行，左右偏差不超过5m。

表3　近距离已知点上差分GPS测试

表4　远距离（115.8km）已知点上差分GPS测试

表5　单GPS与差分GPS静态对比测试

图1　差分GPS与单GPS动态飞行试验航迹对比

五、双星座GPS在航空物探中的应用

GLONASS星座在三个轨道面上布置24颗卫星，已投入运行。同时，新型的双星座接收机（GPS+GLONASS）亦已投入使用。“中心”组织有关技术人员对新产品做了详细的调研、分析和测试，认为双星座GPS+GLONASS接收机可以满足大比例尺航空物探测量导航定位的要求，而无须差分。在选购前，我们对3S公司GNSS300型和阿斯泰克公司GG24型组合接收机进行了性能和技术指标对比试验，包括长时间静态测试、车载动态测试和飞机上的电磁干扰测试（图2、图3和图4）。经测试数据分析和观察，决定选用阿斯泰克公司的GG24型组合接收机，并首次用于大比例尺航空物探勘查，顺利地实现了测线间距为150m的高精度航磁勘查。磁测总精度为1.84nT，测网疏密度为150m±18.2m，导航定位精度达到设计要求，取得了高质量的基础资料，受到了业主的高度评价，认为达到世界一流水平。

图2　GG24单GPS卫星静态数据离散分布

图3　GG24单GLONASS卫星静态数据离散分布

图4　GG24组合卫星静态数据离散分布

六、结论和建议

全球卫星导航定位系统GPS在航空物探勘查中已使用十余年了，在不同地区、不同线距和不同任务的测量中，均取得了显著效果。

1.GPS技术的应用和普及，提高了航空物探技术在沙漠、海洋等地区开展调查的能力，加快了国土调查的进程。

2.双星座GPS接收机的引入使用，弥补了单GPS导航精度较低、无法用于大比例尺飞行作业的不足，达到了线距为100m的航空物探勘查导航定位要求，从而实现了真正的大比例尺高精度航空物探勘查，并为替代地面工作准备了技术条件。

3.航空物探调查中GPS的应用，应视具体要求而定。总结多年来的经验，提出如下建议供参考。对于500m以上线距的测量，使用单台GPS（TANS-Ⅱ型）；100～250m线距测量，使用双星座导航定位系统（GG-24型），它提供的水平精度优于20m，高度精度可达30m。在今后的航空物探勘查中，尽量使用双星座导航定位系统，可以减少由于定位产生的误差，便于以后在同一区域再做工作时，可在已飞的线距中加密测量，降低飞行成本。要求高精度的定位测量时，可以采用事后差分。对要求高精度导航定位测量时，可以采用差分信标台或同步通讯卫星实现实时导航定位，但费用较高。

全球导航定位技术，在我国航空物探领域的成功应用，凝聚了广大技术人员的智慧和心血。本文中GPS静态数据由李标芳教授提供，野外各工区的静态数据据有关报告，在此表示衷心感谢！

THE APPLICATION OF GLOBAL POSITIONING SYSTEM TO THE AEROGEOPHYSICAL SURVEY

Dong Jiguo

（Aerogeophysical Survey and Remote-Sensing Center,Beijing 100083）

Abstract

Since the introduction of the satellite navigation global positioning system（GPS）,single GPS,post difference GPS and double constellation combined GPS techniques have been successively employed, whose application and dissemination have raised the accuracy of navigation positioning and the general precision of the survey,helped the overall improvement of the aerogeophysical technique,extended the field of the aerogeophysical investigation, and considerably raised the efficiency of aerogeophysical survey.

飞向深空的探测器如何在太空中导航？

NASA的深空原子钟（Deep Space Atomic Clock）设备只有一台烤面包机那么大，它将为我们解决这些问题。这是第一款体积小、类似全球定位系统（Global Positioning System，GPS）的仪器，在航天器上飞行时稳定性足够强。

这次的技术演示能让航天器知道自己的位置，而无需依赖来自地球的数据。6月下旬，SpaceX的猎鹰重型火箭（Falcon Heavy rocket）会将深空原子钟发射到地球轨道上，并在该轨道上待满一年的时间，测试它是否能够帮助航天器在太空中进行定位。
如果深空原子钟在太空中试验的这一年进展顺利，那么它就能为未来的单向导航打好基础。利用单向导航，宇航员可以通过一种类似GPS的系统在月球表面上进行导航，也可以安全地自主执行任务，前往火星以及更远的太空位置。

“每一个探索深空的航天器都由地球上的导航员引导。通过启用机载自主导航，或自动驾驶航天器，深空原子钟将改变这一状况。”副首席研究员吉尔•舒伯特（Jill Seubert）说道。
深空之中并不存在GPS
其实，太空中的原子钟并不是什么新鲜事物，我们所用的每个内置GPS的设备，例如智能手机，都是通过环绕地球的多颗卫星上的原子钟来确定位置的。已知位置的卫星从太空向地球发送信号，接收器通过测量信号到达GPS的时间长短来三角测量我们的具体位置。

深空原子钟是NASA JPL的一项新技术，或许能会改变飞船和探测器在太空中的导航方式。6月下旬，美国太空探索技术公司SpaceX猎鹰重型火箭将发射轨道试验床卫星（Orbital Test Bed satellite），对于地球之外其他世界里的自动驾驶航天器和类似GPS的导航系统，这种后续的技术演示可能是关键组成部分。

因此，现在采用的方法就是让导航员用地球上的巨型天线向航天器发送信号，然后信号由航天器反弹回到地球。地面上精确度极高的时钟可以测量信号进行双向旅程所需的时间，告诉导航员飞船距离地球有多远、飞行速度有多快。只有这样，导航员才能进一步向航天器发送指示。

但是现阶段，飞到地球轨道之外的航天器则没有GPS给它们在太空中导航。对于行驶在太空中的航天器来说，GPS卫星上原子钟的精确度远远不够，无法发送正确的方向指令，即使信号只滞后或者消失了不到一秒的时间，也可能意味着离登陆一颗行星差了好几公里。

简述GPS卫星的主要作用

⑴为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。
⑵在区域地理环境研究中的应用。
如：野外调查是区域地理环境研究常用的方法之一，全球定位系统可以帮助野外考察人员确定考察点的地理位置(经度和纬度)、高程(海拔)，从而可在野外调查中获得更为精准的数据。
⑶ 在日常生活中应用——GPS导航
无论是在何时何地，只要拥有GPS信号接收机，就能知道自己前进的方向和所处的地理坐标。利用GPS为导航服务也成为—种新兴的行业。
GPS汽车导航汽车导航装置可显示城市道路图和该车的位置。驾驶员辅入出发点和目的地的地名然后从系统显示的可行路线中选择其中的一条。系统除动态显示该车的位置》L还通过语音提示引导驾驶员把车开到目的地。

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