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既求其有 更求其精(140603)

已有 3800 次阅读 2014-6-3 08:57 |个人分类:学术导航|系统分类:科研笔记| gps, 精益求精

既求其有  更求其精(140603

闵应骅

 

   新技术不断出现,科技工作者有一种好奇心,想要知道,想要研究,想要运用。那就是“求其有”。这一点,改革开放以后我们已经做到了。但是,更要求其精。求精就很难了,可能需要超越,需要创新。这方面我们就比较欠缺。我觉得,科学网上应该多谈科技问题本身,而不是天天谈人际关系、论文排名之类的人人关心而非科技的问题。

   GPS(Global Positioning System)是一种卫星服务,帮助人们定位、定时、航行、旅游,在战争中也有重要应用。从原理上讲,卫星和被测的两个点构成一个三角形。卫星到这两点的距离可以测出来,夹角已知,这三角形就能解,算出这两点之间的距离。可是,这三角形很畸形,两边特别长,夹角特别小,算出来的误差就会特别大。这个事情,就我所知,我们国家大概20年前就安排了。美国的GPS系统是根据4棵卫星甚至更多的卫星去计算接受者的位置。用4颗卫星互相补偿纠正,能好一些,定位误差可做到大约10米。但由于高山、或摩天大厦阻挡GPS信号,某些城市或地区可能无法定位。

      今年5IEEE Spectrum报道,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)于20109月得到日本准天顶卫星系统(QZSS)的QZS-1发射任务。计划2017年底增加3颗卫星,另外,未来再发射3颗,形成持续的由7颗卫星组成的卫星群,以保证可持续运作和必要的冗余(参见下图)。政府计划对这3颗新的卫星计划5亿美元,由三菱公司提供,另外还要12亿美元用于地面设备,建设1200个精确地面检测站。这些部分将由新建的私人公司---- 准天顶卫星系统服务公司开发和运作。

   4颗卫星的轨道是这样设计的,站在日本,你看这轨道就像一个8字形,其弧形尽可能往南扩展,越过澳大利亚,在日本上空则尽可能窄,使得日本的每一个地方至少被1颗卫星的视野范围所覆盖。这就是为什么叫 日本准天顶卫星系统的原因。这就使得东京城市峡谷或高楼阴影中的人们也能使用该系统的差错校正信号。差错可以由卫星的原子钟引起,也可能是由轨道偏离、地球的大气环境而引起,特别是电离层可以使信号扭曲,降低其速度。为了校正这些差错,主控计算机把参考监控站收到的卫星信号跟卫星目标位置与监控站之间的距离进行比较。这些校正了的信息被压缩,从每秒2兆位的数据速率变为每秒2千位的速率传给卫星,然后再广播给用户接受者。这都是实时进行的,所以,压缩很重要,不然这么低速传送,时间就会来不及。正因为压缩,才能使用户接收者用一个实际大小的天线成为可能。在QZS-1的初步试验中,水平误差约1.3厘米,垂直误差约2.9厘米。

厘米级精度考验着所有加工、制造精度、仪器仪表。精度提高两个数量级,不容易。从无到有,比较容易,从有到精就难了。不过,同时它也引领了一系列的创新,至少是极大地改进,从而大大扩展了应用的空间。除了应用于汽车和个人的旅行之外,像地图、大地测量、精细农业、自治的拖拉机操作、无人机车辆、无人驾驶车辆都可以用上。厘米尺度的定位在维修和保险中区别其他车辆和固定障碍物也会很有帮助。日本政府还计划用此项服务当地面通讯受损以后去实时广播灾难警报。类似地,在欧洲有伽利略计划,要花50亿欧元,相当于69亿美元。未知日本这个比较便宜的计划是否能实现。

这些比较详细的技术问题,不可能完全向公众说清楚,但总体思路还是清晰的。不知道我国的北斗卫星导航系统情况如何?




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