导航、定位与实时更新：现代技术中的导航定位与授时功能分析

一、引言

随着科技的快速发展，导航、定位和实时更新技术已成为现代社会不可或缺的一部分。
这些技术不仅广泛应用于交通出行、智能设备等领域，还在军事、航空航天以及科学研究等领域发挥着重要作用。
本文将详细探讨现代导航技术中的定位与授时功能，并探讨它们在各个领域的应用及其未来发展趋势。

二、导航定位技术概述

导航定位技术是指通过特定手段确定地理位置的技术。
在现代社会，导航定位技术已广泛应用于智能手机、车载导航、航空航天等领域。
其中，全球定位系统（GPS）是最具代表性的技术之一，它通过接收卫星信号，实现对地球上任何位置的精确导航和定位。
除此之外，还有北斗卫星导航系统、GLONASS等也在全球范围内发挥着重要作用。

三、授时功能的重要性

授时，即时间同步服务，是现代导航定位技术中的重要组成部分。
授时功能可以为用户提供准确的时间信息，对于精确导航、定位和实时更新具有重要意义。
在军事领域，授时的精确性关乎国家安全；在航空航天领域，授时的精确性关乎飞行安全；在科学研究领域，授时可以用于研究地球自转变化等；在日常生活中，授时也为我们提供了准确的时间参考。

四、导航定位与授时的应用领域

1. 交通运输领域：在交通出行领域，导航定位与授时技术为驾驶员提供精确的位置信息和路线规划，提高行车安全。智能车辆调度系统也依赖于这些技术，以实现实时监控和调度。
2. 智能手机与智能设备：在现代智能手机和智能设备中，导航定位与授时功能已经成为标配。用户可以通过手机地图应用、健身应用等实现精确的位置跟踪和时间同步。
3. 航空航天领域：在航空航天领域，导航定位与授时技术的精确性对于飞行安全至关重要。飞机导航系统需要依赖精确的卫星信号和时间信息，以确保飞行安全。
4. 科学研究领域：在科学研究领域，导航定位与授时也发挥着重要作用。例如，地质勘测需要精确的地理位置信息来识别和研究地质结构；天文学研究则需要精确的时间信息来研究星体运动规律等。

五、实时更新的重要性及其在现代导航定位技术中的应用

实时更新是现代导航定位技术中的重要特点之一。
随着技术的发展，导航定位系统不断更新升级，为用户提供更精确的位置信息和更丰富的服务内容。
实时更新可以修正因大气干扰、设备误差等因素引起的定位误差，提高定位精度。
实时更新还可以为用户提供实时天气、路况等信息，提高出行的便利性和安全性。
在现代智能手机和车载导航系统中，实时更新已经成为标配功能之一。

六、未来发展趋势

随着5G、物联网等技术的快速发展，导航定位与授时技术将面临更多发展机遇。
未来，这些技术将更加广泛地应用于智能交通、智慧城市等领域。
随着全球卫星导航系统的发展和完善，导航定位与授时技术的精度和可靠性将进一步提高。
同时，数据处理技术的进步也将使得实时更新的速度更快、更准确。

七、结语

导航定位与授时技术在现代社会发挥着重要作用。
随着科技的发展和应用领域的不断拓展，这些技术将发挥更大的作用并带来更多的便利。
未来，我们期待这些技术在各个领域发挥更大的价值并推动社会的进步和发展。

北斗导航系统

北斗卫星导航系统﹝BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System﹞是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。 北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成，空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲GALILEO等其他卫星导航系统兼容的终端组成。 北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务（属于第二代系统）。 开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度0．2米／秒。 授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。 中国计划2012年左右，“北斗”系统将覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球。 我国正在实施北斗卫星导航系统建设，已成功发射六颗北斗导航卫星。 根据系统建设总体规划，2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。 “北斗”卫星导航试验系统（也称“双星定位导航系统”）为我国“九五”列项，其工程代号取名为“北斗一号”，其方案于1983年提出。 2003年5月25日零时34分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功地将第三颗“北斗一号”卫星送入太空。 前两颗卫星分别于2000年10月31日和12月21日发射升空，运行至今导航定位系统工作稳定，状态良好。 这次发射的是导航定位系统的备份星，它与前两颗“北斗一号”工作星组成了完整的卫星导航定位系统，确保全天候、全天时提供卫星导航信息。 这标志着我国成为继美国GPS和俄罗斯的GLONASS后，在世界上第三个建立了完善的卫星导航系统的国家，该系统的建立对我国国民国防和经济建设将起到积极作用。 2007年2月3日，“北斗一号”第四颗卫星发射成功，该卫星不仅作为早期三颗卫星的备份，同时还将进行“北斗”卫星导航定位系统的相关试验。 目前，“北斗一号”已有四颗卫星在太空遨游，组成了完整的卫星导航定位系统，确保全天候、全天时提供卫星导航资讯。 “北斗一号”是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统。 系统由两颗地球静止卫星(800E和1400E)、一颗在轨备份卫星(110.50E)、中心控制系统、标校系统和各类用户机等部分组成。 其覆盖范围是北纬5 -55 ，东经70 -140 之间的心脏地区，上大下小，最宽处在北纬35 左右。 定位精度为水平精度100米(1 )，设立标校站之后为20米(类似差分状态)，工作频率为2491.75MHz，系统能容纳的用户数为每小时户。 “北斗一号”具有卫星数量少、投资小、用户设备简单价廉、能实现一定区域的导航定位、通讯等多用途，可满足当前我国陆、海、空运输导航定位的需求。 “北斗一号”就性能来说，和美国GPS相比差距甚大。 第一，覆盖范围也不过是初步具备了我国周边地区的定位能力，与GPS的全球定位相差甚远。 第二，定位精度低，定位精度最高20米，而GPS可以到10米以内。 第三，由于采用卫星无线电测定体制，用户终端机工作时要发送无线电信号，会被敌方无线电侦测设备发现，不适合军用。 第四，无法在高速移动平台上使用，这限制了它在航空和陆地运输上的应用。 但最重要的是，“北斗一号”是我国独立自主建立的卫星导航系统，它的研制成功标志着我国打破了美、俄在此领域的垄断地位，解决了中国自主卫星导航系统的有无问题。 它是一个成功的、实用的、投资很少的初步起步系统。 此外，该系统并不排斥国内民用市场对GPS的广泛使用。 以“北斗”导航试验系统为基础，我国开始逐步实施“北斗”卫星导航系统的建设，首先满足中国及其周边地区的导航定位需求，并进行系统的组网和测试，逐步扩展为全球卫星导航定位系统。 “北斗”卫星导航定位系统（“北斗二号”）　《2006年中国航天白皮书》宣布将在未来5年启动五大航太工程，其中具有军事用途的第二代“北斗”卫星导航系统将在4年内完成部署。 有专家表示，二代“北斗”卫星系统部署完成后，中国将能对小目标发动精准攻击，而美国也有媒体认为中国用北斗计划来压制美国卫星的军事优势。 随着我国综合国力的提升和卫星导航定位系统全面渗透普通人的生活，还有科索沃战争和第二次海湾战争美国GPS制导高精度打击武器的诱惑，构建一个类似GPS的全球卫星导航定位系统开始提上日程，从2007年开始正式建设“北斗”卫星导航定位系统（“北斗二号”）。 “北斗”卫星导航定位系统需要发射35颗卫星，足足要比GPS多出11颗。 按照规划，“北斗”卫星导航定位系统将有5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，采用“东方红”-3号卫星平台。 30颗非静止轨道卫星又细分为27颗中轨道(MEO)卫星和3颗倾斜同步(IGSO)卫星组成，27颗MEO卫星平均分布在倾角55度的三个平面上，轨道高度公里。 “北斗“卫星导航定位系统将提供开放服务和授权服务。 开放服务在服务区免费提供定位，测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度为0.2米/秒。 授权服务则是军事用途的马甲，将向授权用户提供更安全与更高精度的定位，测速，授时服务，外加继承自北斗试验系统的通信服务功能。 工作原理　北斗卫星导航系统的工作过程是：首先由中心控制系统向卫星I和卫星II同时发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。 用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控制系统。 中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。 对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：即从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟；和从中心控制发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。 由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，因此由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。 另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。 从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。 短报文通信：一次可传送多达120个汉字的讯息。 精密授时：精度达10纳秒。 定位精度：水平精度100米(1σ)，设立标校站之后为20米(类似差分状态)。 工作频率：2491.75MHz。 系统容量：每小时户。 定位原理北斗导航系统是主动式双向测距二维导航。 地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据。 GPS是被动式伪码单向测距三维导航。 由用户设备独立解算自己三维定位数据。 “北斗一号”的这种工作原理带来两个方面的问题，一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，这在军事上相当不利，另一方面由于设备必须包含发射机，因此在体积、重量上、价格和功耗方面处于不利的地位。 定位精度北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。 GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m，C/A码目前己由25-100m提高到12m，授时精度目前约20ns。 用户容量北斗导航系统由于是主动双向测距的询问--应答系统，用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号，还要求用户设备向同步卫星发射应答信号，这样，系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。 因此，北斗导航系统的用户设备容量是有限的。 GPS 是单向测距系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，因此GPS的用户设备容量是无限的。 生存能力和所有导航定位卫星系统一样，“北斗一号”基于中心控制系统和卫星的工作，但是“北斗一号”对中心控制系统的依赖性明显要大很多，因为定位解算在那里而不是由用户设备完成的。 为了弥补这种系统易损性，GPS正在发展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。 而“北斗一号” 系统从原理上排除了这种可能性，一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。 实时性“北斗一号”用户的定位申请要送回中心控制系统，中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户，其间要经过地球静止卫星走一个来回，再加上卫星转发，中心控制系统的处理，时间延迟就更长了，因此对于高速运动体，就加大了定位的误差。 此外，“北斗一号”卫星导航系统也有一些自身的特点，其具备的短信通讯功能就是GPS所不具备的。 应用领域　北斗导航定位系统服务区域为中国及周边国家和地区，它可以在服务区域内任何时间、任何地点，为用户确定其所在的地理经纬度信息，并提供双向短报文通信和精密授时服务。 北斗系统可广泛应用于船舶运输、公路交通、铁路运输、海上作业、渔业生产、水文测报、森林防火、环境监测等众多行业，以及军队、公安、海关等其他有特殊指挥调度要求的单位。

试述利用全球导航卫星系统（GNSS）进行定位的基本概念。

GNSS (全球导航卫星系统) ，又称天基定位、导航、授时(PNT) 系统，其关键作用是提供时间/空间基准和所有与位置相关的实时动态信息，业已成为国家重大的空间和信息化基础设施，也成为体现现代化大国地位和国家综合国力的重要标志。

卫星授时原理

对于一个进入信息社会的现代化大国，导航定位和授时系统是最重要、而且也是最关键的国家基础设施之一。 现代武器实（试）验、战争需要它保障，智能化交通运输系统的建立和数字化地球的实现需要它支持。 现代通信网和电力网建设也越来越增强了对精度时间和频率的依赖。 从建立一个现代化国家的大系统工程总体考虑，导航定位和授时系统应该说是基础的基础。 它对整体社会的支撑几乎是全方位的星基导航和授时是未发展的必然趋势。 美国投入巨资建成了全球定位系统（GPS），俄罗斯也使自己的全球导航卫星系统（GLONASS）投入了运行。 欧盟一些国家也正在联合开展加利略（Galileo）卫星导航系统的研制。 为了提高民用定位定时的性能和可靠性、安全性，利用这些卫星系统建立广域增强系统（Waas）在美国、日本、欧洲和俄罗斯也在计划或研制之中。 这些系统导航定位的基本概念都是以精度时间测量为基础的。 正如有人所指出的那样，我们人类生活在余割四维的世界（x、y、z、t）其中一维就是时间，而另外三维的精度确定，就今天而言，没有精确的定时也是难以实现的。 单从授时出发，不难理解系统发播时间的精确控制是不可缺少的。 而对于导航定位，系统内部钟（星载钟和地面监测和控制台站的钟）的同步就极为关键。 没有原子钟的支持，没有钟同步和保持技术的支持，实现星基导航和定位是不可能的。 在完成精确时间的传递过程，需要对传播时延作精确修正，而这又需要知道用户的精确地理位置。 从以上分析可以看出，无论在系统概念、技术、装备或管理上，与其他通讯和卫星系统相比，导航定位卫星系统与高精度卫星授时系统有很好的兼容性和互补性，二者是相辅相成的。 从资源共享和合理利用出发，先进的卫星系统应该成为一个导航授时一体化的高精度星基四维（x、y、z、t）信息源，就像目前已投入工作的GPS、Glonass和正在研制中的Galileo以及各种Waas系统中，无不把其授时功能提到仅次于导航定位的重要地位。 以便满足个行各业对精度时间和频率日益增长的需求。 面对国际上风云变幻的局势，作为一个独立自主的大国，建立我们自己的星基的导航定位和授时系无论对于保障国民经济的日常运作或国家安全都至关重要，正如中国科学院院长路甬祥指出的那样，我们应该有“中国的GPS”。 在真正实现“中国的GPS”的战略规划时，系统定时是其中需要解决的最关键技术之一。 系统用原子钟的研制，系统钟时间同步的建立和保持，构成了这一研究的两个核心。 就我们所知，在这些方面，我国目前还缺乏系统的准备。 这有必要引起有关领导部门的重视和加强这一研究工作的指导、组织与支持。 卫星导航、定位和授时系统中需解决的技术问题有： 1、系统时间建立的概念及实现方法。 在现代卫导系统中，为了保证系统中各个钟的精确同步，需要一个准确、稳定和可靠的时间参考，这通常是以系统中的部分钟或全部的钟为基础。 利用统计平均的方法建立一个系统时间来实现。 其建立的概念和实现方法，直接影响到系统时间的好坏，进而影响到整个卫导系统中各个钟的同步。 这个研究对系统中原子钟的选择与配置也有指导意义。 2、系统时间与UTC协调方法。 这是授时所需要的。 这需要研究国际标准时间到系统时间传递的各个环节，是提高授时准确度中的最要一环。 3,系统钟的同步方法。 这主要涉及到系统中各个钟的精确数据的收集方法和控制方法，要研究相对论效应对星载钟同步的影响。 比对测量和钟驾驭方法的研究是它的基础。 4,系统授时方法。 这包括卫星电文中的与时间有关的信息的制定与产生。 5,用户终端定时技术。 主要涉及到接收、比对及控制技术。