卫星导航:产业革命的助推器

2018-07-04 09:19:47来源:科技日报

司南
 
司南
 
精度较高的航海钟
 
精度较高的航海钟
 
美国第一颗导航卫星“子午仪”号
 
美国第一颗导航卫星“子午仪”号
 
GPS卫星系统组成
 
GPS卫星系统组成
 
全球四大导航系统
 
全球四大导航系统
 
  我们的日常生活总是与时空信息息息相关。不仅日常生活,人们其他的活动也与时空信息紧密关联。据统计,我们85%以上的信息都与时空相关联,由此可知时空信息的重要性。要想获得时空信息,就要确立时空基准,要有提供实时、连续、准确的时空信息的技术手段和服务系统。从古至今人类一直在孜孜追求,直到近几十年,随着科学技术的进步,尤其是航天技术的发展,人们才获得相对理想的卫星导航技术和系统。
 
  所谓时空,主要包括三个方面的内涵:定位、导航与授时。定位,就是指能够提供精确的二维或三维位置和方位的能力。导航,是指通过确定当前位置和目的地位置,并参考地理和环境信息,修正航线、方向和速度,以抵达目的地的能力。授时,就是得到并保持准确和精密时间的能力。
 
  上古时代
 
  人类在上古时代,所用的导航方法是通过识别自然现象或人为标记来指引路线。日月星辰、起伏的山峦、叠起的石堆、刻痕的树木等,便是早期人类出行认路的“参考点”。随着人类活动范围的扩大,导航的技术方法、手段和仪器也随之丰富。早在我国战国时期,就出现了“司南”这种指示方向的工具,北宋时期又发明了指南针,这些工具很快就被应用到军事、生产和日常生活等方面。明初航海家郑和“七下西洋”,宝船及船队安全往返,指南针起到了决定性作用。
 
  航海时代
 
  进入到航海时代,光知道方位是远远不够的了,人们利用星盘、六分仪等仪器,测量恒星或太阳的角度和方位,配合指南针等工具可以确定方向和纬度。18世纪,木匠出身的哈里森父子经过数十年、两代人的努力,发明制造了精度较高的航海钟,才确定了相对准确的海上经度。自此,人类才拥有测量方位、纬度和经度的导航技术。这个阶段,主要依赖于天文观测和航海钟,定位精度比较粗略,大约十几公里的误差,观测时间长,易受天气影响,但已满足航海的基本要求。
 
  二战时期
 
  进入20世纪后,短短的几十年间,人类经历了两次世界大战,坦克、潜艇、飞机、导弹陆续投入使用,进入海陆空三军联合作战时期。这个时期,对定位、导航乃至授时,提出了更高的要求,要求能够实现全天候、大范围、快速、连续、高精度的作战。也是在这个时期,无线电发明了。我们知道,电磁波在均匀介质中沿直线传播、速度恒定,遇到障碍物或介质变化有反射和折射特性。能否利用无线电波进行导航呢?科学家们的探索随之开始了。1906年无线电测向仪制造成功,1921年出现无线电信标,1937年雷达开始在舰船上用作导航手段。第二次世界大战中后期,陆基无线电导航系统得到迅速发展,通过测量无线电导航台发射的信号,可以确定运动载体相对于导航台的方位、距离、距离差等几何参量,从而确定运动载体与导航台之间的相对位置关系,据此对运动载体进行定位、导航和授时。相比航海时代,这个时期的导航技术已经有了很大程度上的飞跃,定位精度大约为100至200米,覆盖范围千余公里。导航技术的应用,也从陆地、海洋走向了天空。至今,仍然有很多无线电导航技术作为主要手段或者作为辅助手段在使用,比如飞机着陆用的仪表着陆系统和罗兰-C系统。
 
  现代导航
 
  二次大战后,人类进入相对和平的发展时期。但是战略威慑、军事应用仍然在推动导航技术的持续发展。美国1957年开始研制战略导弹核潜艇,同年苏联向太空发射了第一颗人造地球卫星。这两个国家研制的不同装备,看似没有关联,但却有着惊人的耦合。美国的核潜艇要在全球巡逻和作战,怎么样能够实现全球、全天候、连续、准确的定位和导航呢?陆基无线电导航的覆盖范围有限,已经不能满足要求。苏联的卫星发射,给了美国人很好的启示。在观测这颗卫星信号的过程中,人们发现:在位置精确已知的观测站,利用测量得到的卫星信号多普勒频移可以确定卫星轨道;反之,如果卫星轨道已知,通过测量卫星信号的多普勒频移,就可以确定地球上接收机的位置。基于这个发现和推论,1964年诞生了第一代导航卫星系统。由于卫星轨道与地球子午圈重叠,又称为“子午仪”系统。这个系统将导航台放置在卫星上,在地球表面任何地方、任何气候条件下,一小时内均能测定位置,精度与观测次数有关,精度在1至500米之间。
 
  “子午仪”系统的成功应用,在美国海、陆、空三军中掀起了卫星导航热,为后续的“全球定位系统”(GPS)的建设奠定了基础。经过详细的论证,1973年美国启动GPS计划,1995年达到完全运行能力,标志着一个革命性的全新导航时代的到来。GPS系统的特点鲜明,它用24颗卫星实现了全球性覆盖和全天候服务,可实时动态地提供十米级至厘米级的定位、导航和授时一体化服务,充分体现了航天技术的魅力和其他导航方式难以比拟的优越性。

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