衛(wèi)星導(dǎo)航定位告訴我
—— 我在哪里

同學(xué)們是否想過一個(gè)問題，這個(gè)問題是：“我在什么地方？”通常，人們把在什么都不知道的前提下，從一個(gè)熟悉的地方移動到另一個(gè)陌生的地方，習(xí)慣地稱為“冒險(xiǎn)的行為”。

多少個(gè)世紀(jì)以來，人們始終在思索：“我現(xiàn)在在哪里？”“我一會兒要去哪里？”或許還會有：“我的食物藏在哪里？”

很早以前開始的航行

史前的人類將生活的環(huán)境、走過的路線等用符號標(biāo)刻在樹皮或獸皮上，成為人類已知的最早使用的地圖。人類在新石器時(shí)代晚期就已有了航?；顒樱?dāng)時(shí)中國大陸制造的一些物品，在我國臺灣島、大洋洲，以至厄瓜多爾等地均有發(fā)現(xiàn)。殷商與西周時(shí)期，人們除了會制造船舶之外，也可以制造帆，利用風(fēng)力航行。甲骨文用“凡”通假“帆”字，說明當(dāng)時(shí)的人們已經(jīng)會使用帆。春秋戰(zhàn)國時(shí)期人們將中國東部外測的不同水域劃分成“北海”（今渤海）、“東?！保ń顸S海）和“南?！保ń駯|海），已了解到大小江河最后都會流入大海。戰(zhàn)國時(shí)期人們對二十八星宿和一些恒星進(jìn)行定量觀測，白天利用太陽，晚上依靠北極星確定方向。在陸地上使用的“司南”可以隨時(shí)指示行進(jìn)的方向。

全球船舶AIS數(shù)據(jù)展示——圖片由北京國遙信通科技有限公司提供

中國在漢代時(shí)期已可以遠(yuǎn)航至印度，把當(dāng)時(shí)的羅馬帝國與中國聯(lián)系起來。東漢應(yīng)勛在《風(fēng)俗通義》中提到：“五月有落梅風(fēng)，江淮以為信風(fēng)?！薄奥涿凤L(fēng)”是指梅雨季節(jié)以后出現(xiàn)的東南季風(fēng)，可以看出兩漢時(shí)期的人們利用季風(fēng)遠(yuǎn)洋航行。唐代為擴(kuò)大海外貿(mào)易，開辟了海上絲綢之路，船舶曾遠(yuǎn)航到亞丁灣附近，航行者已掌握利用北極星的高度進(jìn)行定位（確定位置）和導(dǎo)航（沿一定的線路從一點(diǎn)運(yùn)動到另一點(diǎn)的方法）。

最初的航海主要依靠山形水勢和地物為導(dǎo)航標(biāo)志，人們只能在離海岸線不遠(yuǎn)的地方航行，航路受到限制。到了宋朝，借助靈敏的指南針，人們在沒有任何參照物的環(huán)境下也能掌握航路，確定方向。沈括在《夢溪筆談》中介紹了指南針的四種用法：水法，用指南針穿過燈芯草而浮于水面；指法，將指南針擱在指甲上；碗法，將指南針放在碗沿；絲懸法，將獨(dú)股蠶絲用蠟粘于針腰處，在無風(fēng)處懸掛。磁針的制作，已開始采用人工磁化方法。

現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，地球的兩個(gè)磁極和地理的南北極只是非常接近，并不重合。磁針指向的是地球磁極而不是地理的南北極，也就是說磁針指的不是我們通常認(rèn)為的正南、正北方向，而是略有偏差，這個(gè)角度叫磁偏角。又因?yàn)榈厍蚪魄蛐危源裴樦赶虼艠O時(shí)必向下傾斜，和水平方向有一個(gè)夾角，這個(gè)夾角稱為磁傾角。不同地點(diǎn)的磁偏角和磁傾角都不相同。成書于北宋的《武經(jīng)總要》在談到用地磁法制造指南針時(shí)，就注意利用了磁傾角。沈括在《夢溪筆談》也談到指南針“常微偏東，不全南也”。

圖片由北京航天慧海系統(tǒng)仿真科技有限公司提供

當(dāng)時(shí)人們航海的原則是：“舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦觀指南針”意思是：航海的人辨別方向，夜晚觀察星星，白天觀察太陽，陰天的時(shí)候就看指南針。說明當(dāng)時(shí)在海上航行時(shí)，在見不到日月星辰的日子，人們才會選擇使用指南針來確定方向。

后來人們將磁針和方位盤聯(lián)成一體，盤面刻有24個(gè)方向，通過磁針在方位盤的位置確定方位，稱為“羅經(jīng)盤”，或稱“羅盤”。

在出航時(shí)，隨時(shí)用指南針確定船的具體位置，用針標(biāo)記在圖上，待航行結(jié)束后，再用筆記錄，“針路圖”成為當(dāng)時(shí)人們記錄航行線路的方法。

1405年到1433年，中國最杰出的航海家鄭和率領(lǐng)龐大艦隊(duì)先后七次下西洋，共訪問了30多個(gè)在西太平洋和印度洋的國家和地區(qū)，成為世界航海史上的壯舉。

清代《封舟出洋順風(fēng)針路圖》，現(xiàn)藏于中國國家圖書館，圖以上南下北為制圖準(zhǔn)則，用黃色表示低平的陸地，用藍(lán)色表現(xiàn)聳立的山峰和島嶼，描繪了由福州羅星塔（在今福建馬尾）出航，依次經(jīng)東沙島、雞籠山（今臺灣基隆港）、釣魚臺（即釣魚島）、黃尾嶼、赤尾嶼、姑米山等，最終到達(dá)琉球那霸港，并由那霸返回福州的航程。中國先民最早發(fā)現(xiàn)釣魚島列嶼并為之命名。

知識小鏈接

瑞典科學(xué)家認(rèn)為，許多動物使用天體位置進(jìn)行導(dǎo)航，但屎殼郎是唯一對不同天體進(jìn)行信息采集的動物，例如：太陽、月球和恒星的具體位置

當(dāng)一只屎殼郎在糞球上旋轉(zhuǎn)時(shí)會將天體位置迅速存儲在大腦中。當(dāng)屎殼郎開始滾動糞球時(shí)，通過匹配大腦存儲記憶和當(dāng)前環(huán)境，能夠成功沿著直線方向行進(jìn)。

再來說說世界航海史

在世界航海史上，公元前4世紀(jì)希臘航海家皮忒阿斯駕駛舟船從今天的馬賽出發(fā)，由海上到達(dá)易北河口，成為西方最早的海上遠(yuǎn)航。

公元前280年，埃及的托勒密二世在法羅斯島東端建造了世界上第一座燈塔，高60多米。燈塔在導(dǎo)航中也發(fā)揮著重要的作用，可以引導(dǎo)船舶航行或指示危險(xiǎn)區(qū)(常用來標(biāo)志危險(xiǎn)的海岸、險(xiǎn)要的沙洲或暗礁以及通往港嘴的航道)。

12世紀(jì)，磁羅經(jīng)傳入歐洲后，英國人開爾文將其改進(jìn)成了海軍型磁羅經(jīng)。1420年，葡萄牙人創(chuàng)辦了第一所航海學(xué)校，迪亞士船長于1487年航海到非洲最南端，將該地命名為“好望角”。1492年，意大利航海家哥倫布發(fā)現(xiàn)了美洲大陸。

哥倫布在一開始遠(yuǎn)航的時(shí)候就準(zhǔn)備了兩本航海日志：一本記錄他估計(jì)的每天行駛的實(shí)際距離，是秘密的；另一本記載的航程比實(shí)際航程小得多，是公開的。這樣做是為了在航期拖延時(shí)，船員們不會失去信心。由于哥倫布總是把航速估計(jì)得過高，后來的研究者認(rèn)為，他這本假的日志似乎更接近當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況。我們可以想像一下，如果哥倫布生活在現(xiàn)在，這個(gè)辦法可能就不好使了，因?yàn)槊恳晃淮瑔T都可以借助先進(jìn)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)搜索到當(dāng)前的具體位置。

1945 年，英國科幻小說家阿瑟?克拉克（1917—2008）為《無線電世界》寫了一篇《地球外的傳播》，詳細(xì)預(yù)言了可將廣播和電視信號傳播到全世界的遠(yuǎn)程地球同步通信衛(wèi)星系統(tǒng)，給人們研制人造地球衛(wèi)星帶來極大的啟發(fā)。

第一顆人造地球衛(wèi)星

1957年10月4日，第一顆人造地球衛(wèi)星“斯普特尼克1號”成功發(fā)射，它由鍍鉻合金制成，重83.6千克，外表呈球型，直徑58厘米，在近地軌道上運(yùn)行了92個(gè)晝夜，繞地球飛行1400圈，總航程6000萬千米。人類從此進(jìn)入了利用航天器探索外層空間的新時(shí)代。

多普勒效應(yīng)

作為冷戰(zhàn)時(shí)期的對手，美國的科學(xué)家十分關(guān)注，希望通過無線電信號監(jiān)測蘇聯(lián)衛(wèi)星的動向。美國有兩位科學(xué)家：數(shù)學(xué)家比爾?蓋伊和物理學(xué)家喬治?威芬巴赫，他們在著名的霍普金斯的應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室里發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象：衛(wèi)星頻率出現(xiàn)了多普勒效應(yīng)。

多普勒效應(yīng)又是什么

克里斯琴?約翰?多普勒（Christian Johann Doppler）是奧地利物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家。1842年的一天，多普勒正路過鐵路交叉處，恰逢一列火車從他身旁馳過，他發(fā)現(xiàn)火車從遠(yuǎn)而近時(shí)汽笛聲變響、音調(diào)變尖，而火車從近到遠(yuǎn)時(shí)汽笛聲逐漸變?nèi)?、音調(diào)變低。

多普勒對這個(gè)物理現(xiàn)象產(chǎn)生了極大興趣，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，振源與觀測者之間存在相對運(yùn)動，觀測者聽到的聲音頻率不同于振源頻率，也就是有頻移現(xiàn)象。當(dāng)聲源相對于觀測者在運(yùn)動時(shí)，觀測者聽到的聲音會發(fā)生變化。

當(dāng)聲源離觀測者遠(yuǎn)去時(shí)，隨著聲波的波長增加，音調(diào)變得低沉;當(dāng)聲源接近觀測者時(shí)，聲波的波長減小，音調(diào)變高。音調(diào)的變化同聲源與觀測者間的相對速度和聲速的比值有關(guān)，比值越大，改變越顯著。

多普勒效應(yīng)也存在于其他類型的波中，例如光波和電磁波。愛德文?哈勃（Edwin Hubble）通過多普勒效應(yīng)得出宇宙正在膨脹的結(jié)論。他發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離銀河系的天體發(fā)射的光線頻率變低，即移向光譜的紅端，稱為紅移，天體離開銀河系的速度越快紅移越大，這說明這些天體在遠(yuǎn)離銀河系。反之，如果天體正移向銀河系，光線則會發(fā)生藍(lán)移。

對于電磁波，如果在高度運(yùn)動的物體上（例如高鐵）進(jìn)行無線通信，會出現(xiàn)信號質(zhì)量下降等現(xiàn)象，這也是因?yàn)殡姶挪ù嬖诙嗥绽疹l移現(xiàn)象。

第一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

美國的兩位年輕科學(xué)家在接收蘇聯(lián)人造地球衛(wèi)星信號時(shí)，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星相對于地面接收機(jī)的運(yùn)動速度是變化的，而且會因兩者的靠近和遠(yuǎn)離，出現(xiàn)頻率升高和降低。根據(jù)多普勒測量結(jié)果，可以確定衛(wèi)星的運(yùn)動速度，計(jì)算出衛(wèi)星與接收設(shè)備（收音機(jī)）之間的距離。

威廉?古伊爾(左)和喬治?維芬巴赫（右）向弗蘭克?麥克盧爾（中）介紹利用多普勒頻移跟蹤蘇聯(lián)人造衛(wèi)星的思路

當(dāng)兩位科學(xué)家興奮地把這一研究成果告訴了當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)室主任弗蘭克?麥克盧爾時(shí)，恰好弗蘭克正在做關(guān)于海軍的一項(xiàng)研究，研究如何讓五角大樓知道美國海軍軍艦在茫茫大海中的具體位置。弗蘭克聽到兩位科學(xué)家的匯報(bào)后眼前一亮：既然可以知道衛(wèi)星在哪里，把問題反過來考慮，通過衛(wèi)星也可以知道海軍軍艦在哪里，定位問題就可以解決了！

通過地面站測量到人造地球衛(wèi)星信號，得到的多普勒頻移圖形可以確定衛(wèi)星軌道。通過衛(wèi)星軌道，又可以知道地面接收機(jī)的位置。對導(dǎo)航系統(tǒng)有重大需求的美國海軍，需要新的技術(shù)手段精確引導(dǎo)新型潛艇完成地球極區(qū)任務(wù)，于是推動第一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的誕生。因?yàn)樾l(wèi)星軌道通過地球的兩級，我們在翻譯時(shí)稱為子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用5～6顆衛(wèi)星組成的星網(wǎng)工作，每天最多繞地球13次。

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衛(wèi)星組成“網(wǎng)”工作？

想要更好地確定自己的位置，或者通過衛(wèi)星為自己導(dǎo)航，最好同時(shí)接收三顆以上衛(wèi)星的信號。人們將天上同時(shí)工作的幾顆衛(wèi)星，與捕魚的“網(wǎng)”聯(lián)想到一起，所以形象地稱為“星網(wǎng)”。

當(dāng)時(shí)，美國海軍在衛(wèi)星進(jìn)入可接收范圍后，潛艇的接收天線需要露出海面，在衛(wèi)星通過的十多分鐘內(nèi)連續(xù)記錄信號，確定水平面內(nèi)兩維的位置，定位精度達(dá)到250米，只是還不能知道自己位置的高度。如果想再次確定位置，需要等上百分鐘后才能有后續(xù)衛(wèi)星通過，并且每次只能見到一顆衛(wèi)星。

子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為人類服務(wù)了30多年，直到1996年，它被更強(qiáng)大的GPS系統(tǒng)完全替代，才宣告正式退出歷史舞臺。

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定位與導(dǎo)航的區(qū)別

定位是指確定某一對象的具體位置，如緯度、經(jīng)度和高度。導(dǎo)航是指引導(dǎo)某一對象，從一點(diǎn)到達(dá)另一點(diǎn)或者說是從一個(gè)地方到達(dá)另一個(gè)地方。

衛(wèi)星軌道是指繞地球運(yùn)行的軌跡

從20世紀(jì)60年代開始，在子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，美國又設(shè)想了一種全新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：定位精度更高、三維定位、每天24小時(shí)、每周7天不停頓地工作，每個(gè)用戶需要4顆或者更多的衛(wèi)星來確定位置。要想滿足這些條件，達(dá)到全球覆蓋能力，必須找出最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的辦法，所以問題又來了：衛(wèi)星該采用低、中、高，哪種軌道更合適呢？

衛(wèi)星軌道

在地球表面的衛(wèi)星脫離地球的水平速度叫第一宇宙速度，大致為7.9千米/秒，即環(huán)繞速度。衛(wèi)星只要獲得這一水平方向的速度后，不需要再加動力就可以環(huán)繞地球飛行。衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的軌跡叫衛(wèi)星軌道。

如果采用低軌，發(fā)射成本低，精度也高，這都非常好，可是要想實(shí)現(xiàn)對全球的覆蓋，需要發(fā)射200顆衛(wèi)星。對于剛起步階段，成本有些太高。

如果采用高軌，理論上說，三顆星就能覆蓋全球，但是，高軌衛(wèi)星的發(fā)射難度太大了，更重要的是定位精度會很低，不利于使用多普勒頻移的解算方法。

國際上廣泛采用經(jīng)濟(jì)又實(shí)惠的中軌道辦法，衛(wèi)星覆蓋全球只需要24～36顆衛(wèi)星。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面上，每個(gè)軌道面上有4顆衛(wèi)星，地球上任何一點(diǎn)均能觀測到6～9顆衛(wèi)星。衛(wèi)星可以提供標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（民用）和精密定位服務(wù)（軍用）。

這么多顆人造衛(wèi)星先后飛上天，共同為人類做事，人們?yōu)樗鼈兤鹆藗€(gè)好聽的名稱∶衛(wèi)星星座。

圖片由北斗網(wǎng)提供

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

現(xiàn)在，有的衛(wèi)星星座可以覆蓋全球，不僅可以用來導(dǎo)航，同時(shí)具備定位、導(dǎo)航、授時(shí)能力，具有全球覆蓋、全天候、全天時(shí)，精度高、連續(xù)性好等特點(diǎn)。原有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的名字已不足以表述它的超凡能力，于是為它起了個(gè)新的名字：全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）。人們對于不能覆蓋全球的星座稱為區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

目前，全球四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)分別為美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯、中國的北斗、歐洲的伽利略。

1978年，美國成功發(fā)射第一顆GPS試驗(yàn)衛(wèi)星，開創(chuàng)了無線電導(dǎo)航的新時(shí)代。直到1994年建成信號幾乎覆蓋全球的GPS工作星座，共歷時(shí)16年，耗資約200億美元。GPS星座由24顆衛(wèi)星組成，衛(wèi)星分布在6個(gè)等間隔的軌道面內(nèi)，每個(gè)軌道部署4顆衛(wèi)星，最多可達(dá)11顆星。目前美國已開始著手布設(shè)第三代GPS，準(zhǔn)備把精度提高三倍，抗干擾能力提高八倍，衛(wèi)星壽命將延長至15年，將在2020年左右完成GPS衛(wèi)星的全部更新。

美國第三代導(dǎo)航衛(wèi)星

在美國研制GPS之后不久，蘇聯(lián)也開始研制自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。1982年，第一顆格洛納斯衛(wèi)星和兩顆試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射升空，但這三顆衛(wèi)星都沒能運(yùn)行，到1984年，作為試驗(yàn)使用的4顆衛(wèi)星才成功運(yùn)行。1996年，俄羅斯將24顆格洛納斯衛(wèi)星部署完畢。但是，格洛納斯系統(tǒng)缺乏足夠的資金支持，而且衛(wèi)星壽命過短，太空中的可用衛(wèi)星數(shù)量逐漸減少，到21世紀(jì)初，只有14顆衛(wèi)星運(yùn)行，整個(gè)星座已經(jīng)不能獨(dú)立完成全球連續(xù)導(dǎo)航任務(wù)。近十年來，俄羅斯出臺了一系列相關(guān)政策，積極籌措資金，拯救格洛納斯系統(tǒng)，到2011年底，在軌的格洛納斯衛(wèi)星達(dá)到了24顆滿星座狀態(tài)，使系統(tǒng)全面恢復(fù)工作。

中國的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星

中國是繼美、俄之后世界上第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。目前，我國正在加緊建設(shè)北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，計(jì)劃于2020年左右建成，完成35顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，為全球用戶提供服務(wù)。作為強(qiáng)勁的后發(fā)力量，中國的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí)具備獨(dú)特的短報(bào)文功能。

我們可以暢想一下，等到了2020年，四大全球?qū)Ш较到y(tǒng)的所有衛(wèi)星全部進(jìn)入軌道并開始正常工作時(shí)，天上將有120余顆工作衛(wèi)星，加上星基增強(qiáng)工作衛(wèi)星，導(dǎo)航可利用的衛(wèi)星總數(shù)將超過140顆。

朔源我國衛(wèi)星發(fā)展歷程

中國其實(shí)一直有開發(fā)人造衛(wèi)星的愿望和行動，中國人造衛(wèi)星的歷史可以追溯到1958年，當(dāng)時(shí)提出“兩彈一星”工程中的“一星”，就是指人造衛(wèi)星。那一年，毛澤東主席做出“我們也要搞人造衛(wèi)星”的指示，于是研制人造衛(wèi)星成為1958年的第一號任務(wù)，代號“581”工程。1970年4月，中國發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星“東方紅”，其功能是向全世界播放《東方紅》歌曲。

之后中國一直在研究各種衛(wèi)星，通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星，都是有實(shí)用價(jià)值的。導(dǎo)航系統(tǒng)造價(jià)太高、時(shí)間太長，建國沒多久的中國沒有那么大財(cái)力，所以力不從心。

中國在20世紀(jì)80年代初，陳芳允院士就提出要做自己的導(dǎo)航衛(wèi)星，用兩顆衛(wèi)星定位（由于只有兩顆衛(wèi)星，所以要知道自身的海拔高度，讓地心當(dāng)?shù)谌w衛(wèi)星，進(jìn)行定位）。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最早的英文明名為COMPASS，意思是“指南針”。衛(wèi)星收發(fā)信號需要占用頻率，去國際電信聯(lián)盟申請頻率就相當(dāng)于開公司要先到工商管理部門申請營業(yè)執(zhí)照。在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成后，正式起名為“北斗”。

關(guān)于“北斗”系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)的描述為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是我國自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行，與國際上其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容共用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)，為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)。