GPS以及“北斗”卫星导航系统是怎样实现授时功能的
GPS授时:GPS授时模块在任意时刻能同时接收其视野范围内4~8颗卫星的信号,其内部硬件电路和软件通过对接收到的信息进行编码和处理,能从中提取并输出两种时间信号:一个是间隔为1秒的同步脉冲信号1PPS,其脉冲前沿与UCT的同步误差不超过1ns,二是包括在串口输出信息中的UCT绝对时间(年、月、日、时、分、秒),它是与1PPS脉冲想对应的。一旦天线位置固定下来,它只需要接收一颗卫星的信号变可维持其精密的时间输出。
北斗授时:北斗授时类似于GPS授时,也是卫星授时的一种,采用中国的北斗导航系统进行高精度授时。北斗授时模块授时原理:北斗卫星系统中的高精度原子钟的准确时间发送给北斗授时模块,通过北斗授时模块的PPS(秒脉冲)输出脚输出给用户使用,目前北斗授时模块的pps精度能达到10ns。
需要注意的是,SKYLAB定位模块定位后输出的时间是UTC时间,但是定位模块获取的时间实际上是GPS时或者北斗时,此时需要从GPS时或者北斗时换算成UTC时再输出,因此定位模块需要知道GPS时或者北斗时和UTC的时间差——我司通常称这个差值为闰秒修正值或者跳秒数。定位模块初始定位后一般不能立即从卫星获取闰秒修正值,需要等待一段时间,因此定位模块刚定位后,输出的时间有可能和UTC时间有偏差,可能不是正确的UTC时间——是否有偏差取决于定位模块内部保存的闰秒修正值,SKYLAB定位模块在每次从卫星更新到闰秒修正值后,保存在芯片内部,下次定位时会使用这一修正值直至被更新的修正值替代(该特性仅限A/AT、D/DT系列)。如果定位模块内部预设或者保存的闰秒修正值与当前的闰秒修正值不一样,此时输出的时间不是UTC时间,此时从不正确的时间调整为UTC时间的过程,会出现定位模块输出的定位信息中,某个时间出现了两次的情况,如出现了两个时间一样的RMC语句。SKYLAB的AT、DT系列授时模块(SKG12AT/SKG12DT/SKG17AT/SKG17DT)可以提供闰秒修正值是否更新的信息。
授时是卫星导航系统的重要功能,但是往往会被人忽略,授时精度与定位精度、测速精度一起被称为导航定位系统的三大指标。要说清楚怎么实现的授时功能,首先需要说清楚卫星导航系统中的时间到底有什么重要的作用。
卫星导航定位系统的基本原理叫做三球定位原理,也就是说通过测量卫星到用户之间的距离,可以以卫星为球心,这个距离为半径得到一个球体,而三个球体交会与一点,这个点就是用户的位置。
而这个距离是怎么得到的呢?这个距离测量的是无线电波从卫星到用户的时间,再乘以电磁波的传播速度而得到的,电磁波的传播速度很高,我们想要得到高精度的导航定位结果,就需要对时间测量得很准的设备,这个在卫星上主要是通过星载原子钟得到的,星载原子钟包括氢原子钟、铷钟等设备,原子钟的原理是:原子中的电子从一个能级跃迁到另一个能级的时候频率很稳定,以这个频率作为钟摆就能得到非常精准的时间。这个时钟能够让各个卫星之间保持高精准的时间同步,并且各自的时间起始时刻能够对的很准。考虑到用户和卫星的钟差,所以通常至少需要四颗卫星才能实现导航定位,而当用户解算出来自己和卫星的钟差之后就可以校正自己本地的时钟,将其和卫星的非常精准的时钟同步到同一个时刻,这个过程也叫做授时。
北斗导航如何赢利
北斗卫星导航是我国的战略项目,因此如果要谈营利就得从多个方面来聊。
1、军事上来说北斗建成就已经营利:
从原始的核心目标未来说,北斗卫星导航的建成从根本上强化了我国的战略安全,战争时期我们能有自己的卫星导航可以使用,使自己不再依赖或者被潜在敌人多牵制,整体的国防能力得到了有效提升。
因此,从这个层面来说,现在的北斗卫星导航早已营利,当前很多国产武器装备都已经装备应用了北斗卫星导航。
2、民用领域已创造出全新的千亿产业:
前面提到了北斗卫星导航是我国的战略项目,因此从投资上来说是国家出钱。那么国家出钱的项目怎么营利呢?其实也很简单,只要有利于国家整体的发展,那也就代表着营利。
具体到北斗上来说,当前的民用领域已经产生了一个全新的北斗卫星导航产业,这个产业整体规模按照中国卫星导航协会的预估,到2020年将会超4000亿元。
目前北斗卫星导航已经在各个领域中得到应用,交通海事、农业林业、矿产测绘、电力水利、民政、气象渔业、金融等等诸多领域,截至2018年总计有8000万台终端设备使用,而兼容北斗的终端规模更大,已经达到了7亿台。未来采用北斗的终端设备还将更多,更普及,也更加深入我们的生活。
3、北斗导航产业链已经组成,大家各取所需
如果庞大的应用规模必然也会催生出一批对应的上下游生产厂商,从底层的北斗导航芯片一直到具体的各种终端应用,这些厂商的出现将会带来巨大的社会效应,最基本的就是可以解决一批人员的就业,不仅是高端人才,还是普通人员都能从这个产业中收获自己的营利。
目前北斗产业链已经组成,按照上中下游分层大致包括以下类型厂商:
上游的芯片厂商,主要生产北斗基带芯片、射频芯片以及板卡、天线等;中游厂商主要是一些系统集成商,直接整合做一些终端设备/软件系统等等;下游就是具体的应用行业,对具体行业的使用方提供解决方案或者运维服务等。
此外,北斗整个产业也不仅仅是针对中国市场,目前已经开始进军海外,相关设备已经在全球100多个国家进行了销售。
Lscssh科技官观点:
综合来说,北斗卫星导航不是简单的营利问题,而是提升我国整体国防科技水平,同时也让我们诸多民用生活发生了很大的变化,这就是最大的营利。如果非要说赚钱的话,这新产生了一个几千亿规模的产业就是营利,不仅是国家营利,也是企业的营利,也包括我们普通百姓从业人员的营利!
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其实像北斗和GPS这样的项目在一开始的时候完完全全是个军事项目,压根没想过盈利。但是GPS系统的工作通信模型跟广播系统类似,都是单工工作的,接收装置数量的多少并不影响卫星的工作负载,就像我们大家无论买多少个收音机都不会影响广播电台的运转一样,这个特性为GPS民用化和商用化打下了基础。由于GPS必须要使用特定的接收天线和模块才能解析出位置信息,因此GPS模块的生产厂家是需要向NASA购买授权和解析的协议。
具体要给多少钱,一直也没有准确的数定,但全世界的GPS模块供应商也那么几家,模块费用也就一、二个美金,估计NASA的收费也是不高的。
顺便说一下,导航和定位压根不是GPS的全部应用,GPS最主要的也是最广泛也最不为人知的一个应用是授时,GPS卫星具有授时功能,帮助各个系统实现时间同步,比如我们的每个通信基站里都有一个GPS模块专用于授时,包括其它很多工业、通信、交通都是用这个,因此这个量在全球是天文数字。
最后来说一下北斗,基本上收益模式跟上面是一样的,授时也是北斗在未来最主要也是最容易撼动GPS市场的一个突破口,其次北斗除了授时、定位跟GPS最大一点不同的就是北斗可以发短报文,具有通信能力,但这会随着设备增加而加重系统负载,这项应用的商业前景并不大。
卖给有需要的公司,主要是互联网公司,比如苹果手机用的就是高德地图。或者发广告,给地图的商家吸引人气。
有的软件不是为了盈利的,是吸引抓住用户的,比如百度地图啊,搜狗地图啊,还有就是和商家合作了,你搜索地方的时候,显示附近的一些商户以吸引顾客。导航肯定在未来会成为移动互联网的入口之一,大量O2O应用得仰赖百度和高德,交买路钱是必须的。
北斗导航有着明显的后发优势,相较于GPS,北斗的短报文功能在未来有着非常巨大的优势,在海上及人迹罕至的地区能够保障使用者安全,在民用领域也有不弱于GPS的精度,未来可以说市场前景巨大!
北斗信息增强原理
北斗地基增强系统(GBAS)的运行原理
地基增强系统一般采用的都是实现简单、精度高的局域差分技术。通过在地面建立参考站通过网络或电台向外实时发送改正数,用户接收到改正数后直接对观测值进行改正,最终能达到厘米级的定位精度。
首先,由中心控制系统向卫星和卫星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训未信号,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,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撤出两个时间延迟,集从中心控制系统发出询问信号,今某一颗卫星转发到达应付,应付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。
北斗短报文是什么意思
国际海事组织近期召开会议,正式认可了我国北斗体系内的报文服务系统加入全球海上遇险与安全系统(GMDSS)。我国北斗系统迈出的这关键一步,一方面有利于GMDSS的优化,一方面也证明了,北斗系统已经得到国际社会的广泛认可,并将在国际事务中发挥越来越重要的作用。
北斗报文服务系统此次加入的GMDSS,是国际海事组织负责的一个海上危机处理机制。主要用于解决船只在海上遇险后,自主求救与各方搜救活动中的通信与定位问题,是国际航行安全的重要保证之一。而随着北斗系统的加入,GMDSS其实也迎来了一次全面升级。
GMDSS系统其实是由三个大的分支部分组成的,一个是极地轨道上的卫星搜索系统,一个是北斗报文服务所属的卫星通信系统,还有一个是以海岸上的电台为基础的海上情况播报系统。
图注:GMDSS系统的大致运营模式
在这三个分支中,卫星通信系统起着重要的作用。由于在茫茫大洋之上无法搭建固定的通讯基站,一般的电波信号在海上长距离传输过程中极易出现信号衰退的情况,特别是在容易发生海难事故的恶劣气候条件下,地面上能够正常使用的常规通信手段往往不是那么可靠。因此,在很多远离岸边的国际海域上,通信联络都极度依赖卫星的辅助。此前,在GMDSS的框架下,承担起卫星通信任务的主要是海事卫星系统与铱星系统。
在这两个全球通信系统的配合下,GMDSS为全球的航运安全立下了汗马功劳。但这两个系统,都是专职的卫星通信系统,主要的工作方向是在报文传输和卫星电话联通领域。虽然在遭遇突发情况时,海上的船舶还可以使用船载设备发射应急示位标,让同在GMDSS内的全球卫星搜救系统跟踪这一示位标,引导救援人员前来。但这就意味着,求援时的通信和定位系统走的是两条路线。
如果遇险船只未能及时发出示位标,或者是相关系统在配合过程中出现了问题。即便是有其他船只收到了求救的信号,也未必能够及时获得定位信息,只能在大洋上自行搜索,浪费宝贵的救援时间。
比如2014年的韩国“世越”号沉没事件中,就出现过国际海事组织要求所有客运船舶安装的自动识别系统因故障无法使用的情况。虽然“世越”号的惨剧是多方面因素造成的,但此事仍旧证明,对于海上航行的船只来说,多一套定位和通信系统其实很有必要。
而全球定位系统出身的北斗系统,所拥有的绝招,就是在提供报文服务,确保船只发出求援信号之外,还可以提供米级的精确定位服务。只要前来救援的船只上也有北斗系统,就能够尽快找到遇险船只,大幅降低海上搜索的时间,提升救援的整体成功率。
除了能够在提供通信服务之余兼职定位系统。北斗在系统升级的速度上,也要快于另外两个卫星通信系统。海事卫星系统从上世纪90年代建立以来,就没有进行过全面的升级换代,卫星寿命所剩不多,在未来很有可能会出现通信不畅的问题。
美国的铱星系统虽然在2017年后,依托SpaceX的“猎鹰”火箭,用70多颗二代卫星全面替换了超期服役十多年的一代卫星,系统的整体性能也得到了一定的加强,但在短时间内,这一系统还没有后续的升级计划。而我国的北斗系统一直没有停下前进的脚步。
在2020年,三代北斗投入使用,向全球提供定位服务后,我国也没有停止第四代北斗系统的构建。在北斗的低轨道星座体系建设完成后,北斗的通信能力和定位精度都将大幅提升。到那时,现在通信能力还能与北斗比肩的西方同类系统,便将被北斗全体系的超越。
此外,北斗报文服务系统加入GMDSS系统,无疑也有利于北斗系统更快走向世界。由于美国的GPS系统出现较早,全球航运业中的主流定位系统,仍是GPS。现阶段,北斗系统的用户还以我国船只为主。但随着北斗加入GMDSS系统,更多地航运公司会为了使用报文服务,确保船只遇险时能够及时与外界沟通,而加装北斗系统。北斗的导航功能自然也会在这一过程之中得到推广。
由此可见,此次国际海事组织允许北斗的报文服务加入GMDSS,其实也是对整个北斗系统的一种认可。在国际海事组织之后,相信会有越来越多的国际组织承认北斗系统的作用。这款以定位导航为基础,可以兼顾通信、监测的国产卫星系统,必然能够真正走向世界,为全球航海与航空事业,贡献自己的一份力量。
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