衛(wèi)星導航技術是怎么發(fā)展起來的？背后故事真不少！

      (文章來源《院士講科學》，該書由《知識就是力量》雜志社總策劃，科學普及出版社出版)

        專家：譚述森，衛(wèi)星導航系統(tǒng)總體設計專家，中國工程院院士。長期從事大地測量裝備和衛(wèi)星導航系統(tǒng)設計論證與應用研究，任“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)工程副總設計師。 現(xiàn)代社會，衛(wèi)星導航系統(tǒng)已經(jīng)是人們長途出行不可或缺的工具，在搶險救災、軍事指揮、精準農(nóng)業(yè)等領域，也發(fā)揮著重要的價值。不過你知道衛(wèi)星導航技術一開始是怎么發(fā)現(xiàn)的嗎? 在進入航天時代之前的漫長時間里，人類已經(jīng)發(fā)展出了很多種導航的方式，比如利用日月星辰等自然天體導航，可以在野外和大海上不至于迷失方向。航海領域使用的六分儀，就是通過測量自然天體與海平面的夾角，推算出船只所在的經(jīng)緯度。在航空時代的早期，一些飛機(特別是水上飛機)也配備了六分儀，在無線電導航尚不完善的時代，讓遠程航線上的飛機不至于迷航。 無線電技術完善之后，無線電導航流行起來，提供了比使用自然天體導航更高的精度。但無線電導航也有其劣勢，那就是受制于地球曲率而無法覆蓋全球。所以，人類迫切需要一種人造天體來兼顧這兩類已有導航方式的優(yōu)勢。人造衛(wèi)星就提供了這樣的可能性。 衛(wèi)星導航原理是這么發(fā)現(xiàn)的 1957年10月4日，蘇聯(lián)將世界上第一顆人造衛(wèi)星斯普泰尼克一號送入太空，開啟了人類的航天時代。美國對蘇聯(lián)首先掌握航天發(fā)射技術深感震驚，在跟蹤這顆衛(wèi)星的過程中，美國霍普斯金應用物理實驗室的科研人員無意中發(fā)現(xiàn)，收到的無線電信號會出現(xiàn)多普勒頻率轉移效應，也就是衛(wèi)星飛近地面接收機時，收到的信號頻率會逐漸升高;而飛過以后，頻率就逐漸降低。 這種現(xiàn)象使美國科研人員認識到，衛(wèi)星的運行軌跡可以由衛(wèi)星通過時，人們所測得的多普勒頻移曲線來確定。相反，根據(jù)同樣的原理，如果人們知道了衛(wèi)星的精確軌跡，就能夠確定接收機的位置。這一有趣的發(fā)現(xiàn)，成為衛(wèi)星日后運用于導航服務的技術基礎。 衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展 從1958年開始，美國為解決“北極星”核潛艇在深海航行和執(zhí)行軍事任務時需要精確定位的問題，開始研制軍用導航衛(wèi)星系統(tǒng)。1964年，這套被命名為“子午儀”的衛(wèi)星導航系統(tǒng)竣工并為美國海軍所用，1967年又開放民用導航服務。直到1996年，隨著GPS竣工，“子午儀”方才退出歷史舞臺。 “子午儀”的導航原理，就是使用衛(wèi)星移動所產(chǎn)生的多普勒頻移。在每一個偶數(shù)的分鐘(每小時整點和第2分鐘、第4分鐘、第6分鐘……依次類推)開始的時候，衛(wèi)星會播發(fā)一組軌道參數(shù)信息。衛(wèi)星以一定的速度環(huán)繞地球運轉，因此與地面用戶的接收設備存在相對運動。接收設備測量衛(wèi)星信號的多普勒頻移，再據(jù)此經(jīng)過一系列復雜的運算和修正，得出位于地球表面的用戶(比如某一艘船)的位置。但這樣的系統(tǒng)設計也有其缺點，那就是不能做連續(xù)定位。 在美國之后，蘇聯(lián)也在20世紀70年代開始建造“格洛納斯”衛(wèi)星導航系統(tǒng)。但因為蘇聯(lián)的衛(wèi)星和電子產(chǎn)品設計水平與美國存在差距，航天發(fā)射系統(tǒng)也不夠可靠，所以“格洛納斯”的衛(wèi)星壽命和建造速度都遠遠不如美國。時至今日，“格洛納斯”衛(wèi)星導航系統(tǒng)的工作仍然不穩(wěn)定，一部分早年發(fā)射的衛(wèi)星已經(jīng)損壞。能夠接收“格洛納斯”信號的設備，也因為如今俄羅斯電子工業(yè)水平較低，而往往過于笨重。 而美國1994年建成“全球定位系統(tǒng)”(GPS)，如今已經(jīng)成為衛(wèi)星導航系統(tǒng)的代名詞。GPS由24顆衛(wèi)星組成，也就是21顆“工作星”和3顆“備用星”。它們工作在互成60度的6條軌道上，確保全球任何地方、任何時間，都可觀測到4顆以上的衛(wèi)星。 GPS導航系統(tǒng)的基本原理，是測量出至少4顆已知位置的衛(wèi)星到用戶終端(接收機)之間的距離。這些數(shù)據(jù)可以測定地球表面的一個確定的點，從而知曉用戶的具體位置。 相信在未來，更高的導航精度，以及更多樣化的功能的衛(wèi)星導航系統(tǒng)會發(fā)展起來，我們的生活會越來越便利!

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