GPS定位系统和北斗导航系统在民航中的应用

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　　摘  要：面對我国民航事业和传统陆基导航体制之间产生的矛盾，需要新一代的导航向高效、安全和精准的方向发展。国际民航组织已经提出了全球新导航机制，我国不能继续依赖于GPS定位系统，要使用北斗导航和GPS定位系统组合，从而实现全能性和精准性的航行。文章介绍了北斗导航卫星定位系统的组成、工作原理和用户设备，并论述了其广阔的应用前景。
　　关键词：GPS定位系统;北斗卫星导航系统;民航;需求;通信航空
　　中图分类号：V249.3        文献标志码：A       文章编号：2095-2945（2019）28-0168-02
　　Abstract： In the face of the contradiction between China's civil aviation industry and the traditional land-based navigation system， it is necessary for a new generation of navigation to develop in the direction of efficiency， safety and accuracy. The International Civil Aviation Organization has put forward a new global navigation mechanism， so China can not continue to rely on the GPS （Global Positioning System）， to use the combination of Beidou navigation and GPS （Global Positioning System）， so as to achieve totipotency and precision navigation. This paper introduces the composition， working principle and user equipment of Beidou navigation satellite positioning system， and discusses its broad application prospect.
　　Keywords： GPS （Global Positioning System）; Beidou satellite navigation system; civil aviation; demand; communication aviation
　　引言
　　随着我国民航事业的发展，民航对空域资源也有了更多的需求，但是可使用空域仅有10%，这一矛盾是由我国相对落后的陆基导航体制造成的。陆基导航体制是在航路上建立无信标导航站，飞机可以根据导航信号飞行，在机场也有雷达和全信标导航仪提供导航服务。但是，陆基导航定位精度低，空管效率低，空域利用率低，这样分配给每架飞机的空域资源较多，垂直高度300米就有一个航道资源作为使用。相对高速增长的民航需求，和较为紧缺的空域资源形成了新的冲突。传统机制导航进度不高，让飞行安全也无法得到保障，民航产业迫切需要新一代导航系统能向高效率、安全、快捷的方向转变。
　　1 北斗卫星导航定位系统
　　国际民航组织已经提出全球新导航机制，我国民航事业也应该意识到国际变化，及时更新全球导航卫星系统。这一改变能有效促进我国民航及相关产业的发展，提高空域资源使用率，降低飞行成本，提高飞行速度和质量。但是，能提供全球导航卫星系统的只有美国的GPS定位系统，如果我们依赖于美国的导航系统，有可能制约我国导航技术发展，威胁到国防安全。民航事业需要使用北斗导航和GPS定位系统组合，以此促进民航事业和经济发展，保障国家战略安全，创造经济利益。
　　1.1 北斗卫星导航系统概述
　　美国GPS定位系统，俄罗斯GLONASS系统、中国北斗卫星导航系统和欧盟伽利略定位系统被公认为是全球四大卫星导航系统核心供应商。我国研发的北斗卫星导航系统中包括“北斗一号”和“北斗二号”。“北斗一号”已经投入使用，而“北斗二号”还处于建设中。目前，中国的“北斗一号”已经覆盖国内的领土，趋于完善。“北斗二号”是全球的卫星导航系统。
　　1.2 北斗导航系统组成
　　北斗卫星导航系统是中国研发的，组成形式由空间段、用户段和地面段三个部分。空间卫星主要由一颗在轨备份卫星和两颗工作卫星组成。北斗导航系统的中枢部分以地面为中心控制，实现对卫星的测轨、定位和调整。北斗导航系统的用户设备采用定向的天线接收器，用于接收卫星发来的信号和中心站的定位请求。
　　1.3 北斗导航系统定位原理
　　北斗导航系统定位主要是依靠于双星定位，用户终端向中心站发出请求，再将定位信息发送给用户。北斗导航系统的双星定位就是以两颗卫星为中心，以卫星到用户的距离为半径，将用户放置于双卫星球面交线的圆弧上。
　　北斗导航系统定位原理就像一个以地球为球心，球心到地面的高度为半径的球面中，通过圆弧线和地球表面交点之间的距离，赤道北侧当作已知目标，从而获取用户的定位。
　　1.4 用户设备
　　北斗导航系统的用户设备是带有定向天线的接收、转发器，主要用于接收卫星发射的S波段信号，再提取地面中枢通过卫星转发的信号和定位请求。北斗系统用户不包含定位解算处理设备，用户设备仅包括通信型、授时型和管理型。
　　用户设备具有开机快速定位功能、位置报告功能和双向授时功能。开机快速定位功能在用户开机之后几秒内就可以完成定位，比GPS等卫星导航系统快很多。用户与用户、用户管理部门，用户和地面中枢之间都可以进行双向报文通信，传递位置及其他信息。这一双向授时服务是其他卫星系统不具备的特点。 　　2 GPS系統与北斗导航系统的区别
　　GPS系统与北斗导航系统无论从卫星轨道结构、覆盖范围、用户容量和定位原理都大不相同。北斗导航系统是在赤道上设置了两颗卫星，也就是双星定位。而GPS系统是在6个轨道上设置了24颗卫星。
　　北斗导航系统仅用于我国领土，是全国范围内的覆盖，而GPS定位系统是全球覆盖。北斗导航系统在定位的过程中会出现无线电隐蔽性失去问题，对军事会造成影响。如果地面为中心控制的中枢部分受到攻击，会影响整个系统的定位功能。GPS定位系统仅仅是测距的三维导航系统，对用户和设备都是独立计算，接收用户信息然后直接给用户反馈有效位置信息。
　　北斗导航系统主要是主动式双向测距，通过地面中心进行卫星信号发射，因此用户容量有限。而GPS是单项测距，对卫星导航数据接收，设备对用户的容量较大。
　　3 GPS定位和北斗系统组合导航系统
　　随着民航新的航行系统不断完善，逐渐民航导航将不再使用INS的惯性导航系统，而更多的采用星基导航系统。虽然GPS定位系统具有一定的准确性和精度，但是其主要还是依靠于卫星，如果卫星故障，会严重影响导航的信号。民航的定位和姿态获取及其容易受到卫星的影响。同时，GPS定位系统技术掌握在美国手中，如果我国要使用这一技术，就始终受制于人。而GPS定位系统和北斗系统组合导航系统就可以有效避免这一现象，北斗导航系统覆盖于我国的全部领土，受我国自主控制住，因此，既可以避免民航受卫星故障的影响，也可以保证民航飞行不受外国影响。
　　民航在巡航时一直处于高动态阶段，因此北斗导航系统使用期间定位误差较大，往往会导致定位误差，影响飞行速度和范围。GPS系统的三维定位和北斗系统的信息接收能力相结合，就能和地面中枢建立准确的联系，保证飞行的速度和质量，提高民航飞行效率。
　　北斗卫星导航系统还是建立与地面监控中心之上，通过对设备的合理之后，将地面的网络连接到卫星导航运营中心，以此强化监控，发挥指挥的职能。在民航飞机在导航区域内，离岗调度系统会自动对飞机状态进行分析，合理规划航线，搜集准确的定位数据传输给地面中枢。GPS定位和北斗系统组合的导航系统能和地面中心及时进行数据输送，保证航线合理规划，引导飞机安全降落，北斗导航系统还能对民航飞机附近的空域进行监控，确保飞行安全，让导航员观察整体空域的情况。
　　北斗导航系统促使我国自主导航系统更具影响力，提高卫星导航服务水平。但是北斗卫星导航系统建设中还需注意，北斗导航系统如果要应用在民航中，就要和民航局加强沟通，考虑到卫星导航系统对于航空领域的意义，逐步完善相关功能，提高定位精度。这是一种权限的飞行运行方式，对行业安全具有一定保障，如果采用GPS定位和北斗系统组合导航系统，飞行品质能有所提高，地面设施投入也会减少。GPS定位系统和北斗导航系统组合在民航中能创造更好的实施效果，带来更稳定的导航功能，可以说是一项具有开创性的新兴技术。
　　4 GPS定位和北斗系统组合导航系统的必须性和需求分析
　　4.1 必须性
　　我国空域管理较为特殊，民航仅有十分之一的资源使用权。而美国恰好相反，民航有90%的空域资源使用权，这一政策极大繁荣了美国的民航产业。我国在经济发展的过程中，航空出行已经逐渐变得普遍，越来越大的需求受到了空域组员的制约。如果我国民航飞行能有更准确的定位，规划更适当的路线，对空域管理和飞行安全都是有效的保证。
　　4.2 需求分析
　　在民航产业的发展中，不仅带来了经济效益也产生了社会效益。玉树地震中，因为玉树机场的建立，让大批的伤员可以快速运转到其他地区接受治疗。在救援的同时，大量的物资也通过航空的方式进入灾区。我国西南地区海拔较高，山高林密，建立机场难度较大，而传统的导航方式精度低，只能采取直线飞行，这样在高海拔、树林密集的地区无法保障飞行安全，这一迫切的局面，是对导航卫星变革的需求。
　　4.3 产业前景
　　当前全球民航导航都由美国单方面提供，是处于垄断的局面。北斗导航系统有助于我国打破这一局面，保障国家安全。以防在非和平时期美国等国家取消对我国的导航服务。卫星导航的社会运用越来越广泛，产业前景良好，能带来巨大的经济利益和社会利益，在技术成熟后，“北斗二号”也可以向海外推广，抢占全球市场。
　　5 结束语
　　北斗导航系统是我国自主独立研发的，已经是趋于成熟的卫星导航系统，在民航产业中的使用也越来越广泛。在新航行系统的环境下，北斗卫星导航定位系统在飞机飞行阶段能提高其飞行质量和自动化程度。北斗导航系统覆盖了中国所有领土，提供24小时的航空服务，没有通信盲区，在航空领域逐渐凸显出其重要性。北斗导航系统不受地形和地理位置的影响，能为飞行提供全天候的技术保障，提高航空安全性。通过GPS定位和北斗导航组合系统的必须性和需求分析，我们了解到当前全球民航导航处于垄断的局面，北斗导航系统有助于我国打破这一局面，保障国家安全。飞行中更精准的定位，更适当的路线，都是导航卫星变革的需求。
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