衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)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(xué)》，該書由《知識(shí)就是力量》雜志社總策劃，科學(xué)普及出版社出版)

        專家：譚述森，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)專家，中國(guó)工程院院士。長(zhǎng)期從事大地測(cè)量裝備和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)論證與應(yīng)用研究，任“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程副總設(shè)計(jì)師。 現(xiàn)代社會(huì)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)是人們長(zhǎng)途出行不可或缺的工具，在搶險(xiǎn)救災(zāi)、軍事指揮、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，也發(fā)揮著重要的價(jià)值。不過你知道衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)一開始是怎么發(fā)現(xiàn)的嗎? 在進(jìn)入航天時(shí)代之前的漫長(zhǎng)時(shí)間里，人類已經(jīng)發(fā)展出了很多種導(dǎo)航的方式，比如利用日月星辰等自然天體導(dǎo)航，可以在野外和大海上不至于迷失方向。航海領(lǐng)域使用的六分儀，就是通過測(cè)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(shí)代的早期，一些飛機(jī)(特別是水上飛機(jī))也配備了六分儀，在無線電導(dǎo)航尚不完善的時(shí)代，讓遠(yuǎn)程航線上的飛機(jī)不至于迷航。 無線電技術(shù)完善之后，無線電導(dǎo)航流行起來，提供了比使用自然天體導(dǎo)航更高的精度。但無線電導(dǎo)航也有其劣勢(shì)，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(dǎo)航方式的優(yōu)勢(shì)。人造衛(wèi)星就提供了這樣的可能性。 衛(wèi)星導(dǎo)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(hào)送入太空，開啟了人類的航天時(shí)代。美國(guó)對(duì)蘇聯(lián)首先掌握航天發(fā)射技術(shù)深感震驚，在跟蹤這顆衛(wèi)星的過程中，美國(guó)霍普斯金應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的科研人員無意中發(fā)現(xiàn)，收到的無線電信號(hào)會(huì)出現(xiàn)多普勒頻率轉(zhuǎn)移效應(yīng)，也就是衛(wèi)星飛近地面接收機(jī)時(shí)，收到的信號(hào)頻率會(huì)逐漸升高;而飛過以后，頻率就逐漸降低。 這種現(xiàn)象使美國(guó)科研人員認(rèn)識(shí)到，衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡可以由衛(wèi)星通過時(shí)，人們所測(cè)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(jī)的位置。這一有趣的發(fā)現(xiàn)，成為衛(wèi)星日后運(yùn)用于導(dǎo)航服務(wù)的技術(shù)基礎(chǔ)。 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展 從1958年開始，美國(guó)為解決“北極星”核潛艇在深海航行和執(zhí)行軍事任務(wù)時(shí)需要精確定位的問題，開始研制軍用導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。1964年，這套被命名為“子午儀”的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)竣工并為美國(guó)海軍所用，1967年又開放民用導(dǎo)航服務(wù)。直到1996年，隨著GPS竣工，“子午儀”方才退出歷史舞臺(tái)。 “子午儀”的導(dǎo)航原理，就是使用衛(wèi)星移動(dòng)所產(chǎn)生的多普勒頻移。在每一個(gè)偶數(shù)的分鐘(每小時(shí)整點(diǎn)和第2分鐘、第4分鐘、第6分鐘……依次類推)開始的時(shí)候，衛(wèi)星會(huì)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(yùn)轉(zhuǎn)，因此與地面用戶的接收設(shè)備存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。接收設(shè)備測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)的多普勒頻移，再據(jù)此經(jīng)過一系列復(fù)雜的運(yùn)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(shè)計(jì)也有其缺點(diǎn)，那就是不能做連續(xù)定位。 在美國(guó)之后，蘇聯(lián)也在20世紀(jì)70年代開始建造“格洛納斯”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。但因?yàn)樘K聯(lián)的衛(wèi)星和電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平與美國(guó)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(yuǎn)遠(yuǎn)不如美國(guó)。時(shí)至今日，“格洛納斯”衛(wèi)星導(dǎo)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(hào)的設(shè)備，也因?yàn)槿缃穸砹_斯電子工業(yè)水平較低，而往往過于笨重。 而美國(guó)1994年建成“全球定位系統(tǒng)”(GPS)，如今已經(jīng)成為衛(wèi)星導(dǎo)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(shí)間，都可觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星。 GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理，是測(cè)量出至少4顆已知位置的衛(wèi)星到用戶終端(接收機(jī))之間的距離。這些數(shù)據(jù)可以測(cè)定地球表面的一個(gè)確定的點(diǎn)，從而知曉用戶的具體位置。 相信在未來，更高的導(dǎo)航精度，以及更多樣化的功能的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)發(fā)展起來，我們的生活會(huì)越來越便利!

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