監視全球的衛星導航

駱昌芹

古時候，航海家們憑借觀察天象，即觀察日、月和星辰的位置來確定船只的位置，隨著指南針、磁性羅盤、六分儀的發明，人們開始使用儀器設備進行導航。近代人們利用無線電技術進行導航，但無線電導航系統的導航臺設在地面，這就需要在世界各地建立成百上千個導航臺，花費大量人力物力，且只能保證特定區域范圍內的安全航行，遠不能滿足全球范圍內精確導航的需求。

衛星導航技術開創新紀元

人造地球衛星的出現，使人們有條件把無線電導航臺搬上天空。如今，衛星導航系統能為地球上任何地方的用戶，提供全天候、連續、實時的導航數據，指出用戶在空間的精確位置（經度、緯度和高度），以及航行的速度等。美國的全球定位系統于1973年開始研制，包括二十四顆衛星，這些衛星都是按照預定的規律分布在軌道上的，分三個軌道平面，每個軌道面上有八顆衛星，軌道高度為兩萬多公里，二十四顆衛星均勻地繞地球運行。對世界各地的各類用戶，如飛機、艦船、地面車輛，甚至導彈和低軌道的衛星等，都能做到有“求”必“應”。例如，迷路的部隊，只要按下小型接收機的“定位”按鈕，就可以立即知道自己所在位置的精確坐標，以及與目的地之間的距離和方向。

這二十四顆衛星的布置方式，保證了地球上任何地方、任何時刻至少能看到其中的六顆衛星，而實際上用戶只要用四顆衛星就可以確定自己位置的精確經度、緯度和高度。

導航衛星定位系統如何定位

導航衛星全球定位系統利用三個雙曲面相交確定空間點的位置。形成雙曲線的幾何原理是：到兩個固定點的距離差為常數的動點之軌跡，是以這兩個固定點為焦點的一條雙曲線。平面上兩條雙曲線相交就能確定一個點的位置。如在海上航行的船只，同時測量到三個地面導航臺站的距離，可以得到兩組距離差，因此可以得到兩條雙曲線位置線，這兩條雙曲線的交點即是船的位置。同樣，如果用戶接收機同時測量到四顆衛星的距離，就能得到三個獨立的距離差方程，也就可以計算出三個相應的旋轉雙曲面，三個旋轉雙曲面的交點即是用戶接收機在空間的位置。

二十四顆衛星向地面不斷發送經過加密的密碼導航信號，密碼信號中包含各種數據，如衛星每時每刻軌道上的位置，精確的時間數據等，密碼信號是用L波段的兩個頻率（1227.6兆赫和1575.42兆赫）發送的。全球定位系統用戶，不論是在陸地、海洋和空中航行的船只、飛機、車輛、導彈等，只要配備合適的接收機和數據處理設備，就能接收到四顆衛星發送的密碼信號。根據計時測距的原理，用無線電測量技術可測得不同的時差，把這些測量數據傳輸給高速電子計算機計算，就可立即得到用戶的確切位置。最好的接收機，獲得的位置數據，誤差不超過十米。該系統用戶數量不受限制，且用戶本身不需要發射電磁波，對用戶具有較好的保密性，很適合軍事用戶的保密要求。

二十四顆衛星是全球定位系統的關鍵。衛星帶有精確的原子鐘、微處理機和無線電密碼信號發射機等關鍵設備。衛星上原子鐘是精確定位所必需的，原子鐘偏差十億分之一秒就會引起測距誤差0.4米。目前，衛星上所用的原子鐘，每晝夜偏差約為一千萬分之一秒，使用這樣精確的鐘，在定位精準度為十米時，要求對原子鐘每3到4小時校正一次，才能達到要求。而目前正在試驗的一種性能較好、更為穩定的絕原子鐘，每三十萬年誤差小于一秒，每晝夜只差一億分之一秒，這種鐘在一周內校正2到3次就夠了。

地面控制設施相輔助

衛星上除裝有上述關鍵的導航設備外，還得裝上保證衛星正常工作的系統。如為衛星供電的太陽電池帆板，蓄電池和衛星姿態控制系統等。

要使二十四顆衛星所發射的密碼導航數據準確無誤，這就要靠地面控制設施完成。地面控制設施包括一個主控站、四個監控站和一個數據注入站。它們負責跟蹤和監視所有的衛星，并把接收到的數據匯集到主控站進行數據處理，準確計算并預報衛星運行的精確軌道和時間，并對衛星上的原子鐘進行校正，使整個衛星系統時間同步。數據注入站則會定期把預報的衛星精確軌道星歷數據發送給衛星，更新舊軌道星歷數據，利用衛星上的微處理機把數據存儲起來，編成密碼向地面發送。

有了全球定位系統，可以大大提高陸、海、空三軍在全球范圍內的作戰能力，以及武器系統的命中精準度，如洲際彈道導彈、戰術導彈等都可安裝全球定位系統接收機，在飛行中定位，用于中途制導，修正慣性導航系統累積誤差，增加命中精準度。也能使戰略轟炸機精確測定投彈點的位置，這就是全球定位系統的戰略意義。全球定位系統對石油和礦床的勘探、開發和地形地圖的測繪等事業也有促進作用。我國全球定位系統的密碼信號已部分公開供民用導航使用，并將于2020年推出自己的全球導航定位系統，為全球客戶提供精確的導航和定位。