卫星导航技术是怎么发展起来的?背后故事真不少!

2017-10-31 11:07:37来源:泰伯网

       (文章来源《院士讲科学》,该书由《知识就是力量》杂志社总策划,科学普及出版社出版)

 
       专家:谭述森,卫星导航系统总体设计专家,中国工程院院士。长期从事大地测量装备和卫星导航系统设计论证与应用研究,任“北斗”卫星导航系统工程副总设计师。
 
  现代社会,卫星导航系统已经是人们长途出行不可或缺的工具,在抢险救灾、军事指挥、精准农业等领域,也发挥着重要的价值。不过你知道卫星导航技术一开始是怎么发现的吗?
 
  在进入航天时代之前的漫长时间里,人类已经发展出了很多种导航的方式,比如利用日月星辰等自然天体导航,可以在野外和大海上不至于迷失方向。航海领域使用的六分仪,就是通过测量自然天体与海平面的夹角,推算出船只所在的经纬度。在航空时代的早期,一些飞机(特别是水上飞机)也配备了六分仪,在无线电导航尚不完善的时代,让远程航线上的飞机不至于迷航。
 
  无线电技术完善之后,无线电导航流行起来,提供了比使用自然天体导航更高的精度。但无线电导航也有其劣势,那就是受制于地球曲率而无法覆盖全球。所以,人类迫切需要一种人造天体来兼顾这两类已有导航方式的优势。人造卫星就提供了这样的可能性。
 
  卫星导航原理是这么发现的
 
  1957年10月4日,苏联将世界上第一颗人造卫星斯普泰尼克一号送入太空,开启了人类的航天时代。美国对苏联首先掌握航天发射技术深感震惊,在跟踪这颗卫星的过程中,美国霍普斯金应用物理实验室的科研人员无意中发现,收到的无线电信号会出现多普勒频率转移效应,也就是卫星飞近地面接收机时,收到的信号频率会逐渐升高;而飞过以后,频率就逐渐降低。
 
  这种现象使美国科研人员认识到,卫星的运行轨迹可以由卫星通过时,人们所测得的多普勒频移曲线来确定。相反,根据同样的原理,如果人们知道了卫星的精确轨迹,就能够确定接收机的位置。这一有趣的发现,成为卫星日后运用于导航服务的技术基础。
 
  卫星导航系统的发展
 
  从1958年开始,美国为解决“北极星”核潜艇在深海航行和执行军事任务时需要精确定位的问题,开始研制军用导航卫星系统。1964年,这套被命名为“子午仪”的卫星导航系统竣工并为美国海军所用,1967年又开放民用导航服务。直到1996年,随着GPS竣工,“子午仪”方才退出历史舞台。
 
  “子午仪”的导航原理,就是使用卫星移动所产生的多普勒频移。在每一个偶数的分钟(每小时整点和第2分钟、第4分钟、第6分钟……依次类推)开始的时候,卫星会播发一组轨道参数信息。卫星以一定的速度环绕地球运转,因此与地面用户的接收设备存在相对运动。接收设备测量卫星信号的多普勒频移,再据此经过一系列复杂的运算和修正,得出位于地球表面的用户(比如某一艘船)的位置。但这样的系统设计也有其缺点,那就是不能做连续定位。
 
  在美国之后,苏联也在20世纪70年代开始建造“格洛纳斯”卫星导航系统。但因为苏联的卫星和电子产品设计水平与美国存在差距,航天发射系统也不够可靠,所以“格洛纳斯”的卫星寿命和建造速度都远远不如美国。时至今日,“格洛纳斯”卫星导航系统的工作仍然不稳定,一部分早年发射的卫星已经损坏。能够接收“格洛纳斯”信号的设备,也因为如今俄罗斯电子工业水平较低,而往往过于笨重。
 
  而美国1994年建成“全球定位系统”(GPS),如今已经成为卫星导航系统的代名词。GPS由24颗卫星组成,也就是21颗“工作星”和3颗“备用星”。它们工作在互成60度的6条轨道上,确保全球任何地方、任何时间,都可观测到4颗以上的卫星。
 
  GPS导航系统的基本原理,是测量出至少4颗已知位置的卫星到用户终端(接收机)之间的距离。这些数据可以测定地球表面的一个确定的点,从而知晓用户的具体位置。
 
  相信在未来,更高的导航精度,以及更多样化的功能的卫星导航系统会发展起来,我们的生活会越来越便利!

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