衛星導航定位告訴我
—— 我在哪里

衛星導航定位告訴我
—— 我在哪里

同學們是否想過一個問題，這個問題是：“我在什么地方？”通常，人們把在什么都不知道的前提下，從一個熟悉的地方移動到另一個陌生的地方，習慣地稱為“冒險的行為”。

多少個世紀以來，人們始終在思索：“我現在在哪里？”“我一會兒要去哪里？”或許還會有：“我的食物藏在哪里？”

很早以前開始的航行

史前的人類將生活的環境、走過的路線等用符號標刻在樹皮或獸皮上，成為人類已知的最早使用的地圖。人類在新石器時代晚期就已有了航海活動，當時中國大陸制造的一些物品，在我國臺灣島、大洋洲，以至厄瓜多爾等地均有發現。殷商與西周時期，人們除了會制造船舶之外，也可以制造帆，利用風力航行。甲骨文用“凡”通假“帆”字，說明當時的人們已經會使用帆。春秋戰國時期人們將中國東部外測的不同水域劃分成“北海”（今渤海）、“東?！保ń顸S海）和“南海”（今東海），已了解到大小江河最后都會流入大海。戰國時期人們對二十八星宿和一些恒星進行定量觀測，白天利用太陽，晚上依靠北極星確定方向。在陸地上使用的“司南”可以隨時指示行進的方向。

全球船舶AIS數據展示——圖片由北京國遙信通科技有限公司提供

中國在漢代時期已可以遠航至印度，把當時的羅馬帝國與中國聯系起來。東漢應勛在《風俗通義》中提到：“五月有落梅風，江淮以為信風。”“落梅風”是指梅雨季節以后出現的東南季風，可以看出兩漢時期的人們利用季風遠洋航行。唐代為擴大海外貿易，開辟了海上絲綢之路，船舶曾遠航到亞丁灣附近，航行者已掌握利用北極星的高度進行定位（確定位置）和導航（沿一定的線路從一點運動到另一點的方法）。

最初的航海主要依靠山形水勢和地物為導航標志，人們只能在離海岸線不遠的地方航行，航路受到限制。到了宋朝，借助靈敏的指南針，人們在沒有任何參照物的環境下也能掌握航路，確定方向。沈括在《夢溪筆談》中介紹了指南針的四種用法：水法，用指南針穿過燈芯草而浮于水面；指法，將指南針擱在指甲上；碗法，將指南針放在碗沿；絲懸法，將獨股蠶絲用蠟粘于針腰處，在無風處懸掛。磁針的制作，已開始采用人工磁化方法。

現在我們已經知道，地球的兩個磁極和地理的南北極只是非常接近，并不重合。磁針指向的是地球磁極而不是地理的南北極，也就是說磁針指的不是我們通常認為的正南、正北方向，而是略有偏差，這個角度叫磁偏角。又因為地球近似球形，所以磁針指向磁極時必向下傾斜，和水平方向有一個夾角，這個夾角稱為磁傾角。不同地點的磁偏角和磁傾角都不相同。成書于北宋的《武經總要》在談到用地磁法制造指南針時，就注意利用了磁傾角。沈括在《夢溪筆談》也談到指南針“常微偏東，不全南也”。

圖片由北京航天慧海系統仿真科技有限公司提供

當時人們航海的原則是：“舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦觀指南針”意思是：航海的人辨別方向，夜晚觀察星星，白天觀察太陽，陰天的時候就看指南針。說明當時在海上航行時，在見不到日月星辰的日子，人們才會選擇使用指南針來確定方向。

后來人們將磁針和方位盤聯成一體，盤面刻有24個方向，通過磁針在方位盤的位置確定方位，稱為“羅經盤”，或稱“羅盤”。

在出航時，隨時用指南針確定船的具體位置，用針標記在圖上，待航行結束后，再用筆記錄，“針路圖”成為當時人們記錄航行線路的方法。

1405年到1433年，中國最杰出的航海家鄭和率領龐大艦隊先后七次下西洋，共訪問了30多個在西太平洋和印度洋的國家和地區，成為世界航海史上的壯舉。

清代《封舟出洋順風針路圖》，現藏于中國國家圖書館，圖以上南下北為制圖準則，用黃色表示低平的陸地，用藍色表現聳立的山峰和島嶼，描繪了由福州羅星塔（在今福建馬尾）出航，依次經東沙島、雞籠山（今臺灣基隆港）、釣魚臺（即釣魚島）、黃尾嶼、赤尾嶼、姑米山等，最終到達琉球那霸港，并由那霸返回福州的航程。中國先民最早發現釣魚島列嶼并為之命名。

知識小鏈接

瑞典科學家認為，許多動物使用天體位置進行導航，但屎殼郎是唯一對不同天體進行信息采集的動物，例如：太陽、月球和恒星的具體位置

當一只屎殼郎在糞球上旋轉時會將天體位置迅速存儲在大腦中。當屎殼郎開始滾動糞球時，通過匹配大腦存儲記憶和當前環境，能夠成功沿著直線方向行進。

再來說說世界航海史

在世界航海史上，公元前4世紀希臘航海家皮忒阿斯駕駛舟船從今天的馬賽出發，由海上到達易北河口，成為西方最早的海上遠航。

公元前280年，埃及的托勒密二世在法羅斯島東端建造了世界上第一座燈塔，高60多米。燈塔在導航中也發揮著重要的作用，可以引導船舶航行或指示危險區(常用來標志危險的海岸、險要的沙洲或暗礁以及通往港嘴的航道)。

12世紀，磁羅經傳入歐洲后，英國人開爾文將其改進成了海軍型磁羅經。1420年，葡萄牙人創辦了第一所航海學校，迪亞士船長于1487年航海到非洲最南端，將該地命名為“好望角”。1492年，意大利航海家哥倫布發現了美洲大陸。

哥倫布在一開始遠航的時候就準備了兩本航海日志：一本記錄他估計的每天行駛的實際距離，是秘密的；另一本記載的航程比實際航程小得多，是公開的。這樣做是為了在航期拖延時，船員們不會失去信心。由于哥倫布總是把航速估計得過高，后來的研究者認為，他這本假的日志似乎更接近當時的實際情況。我們可以想像一下，如果哥倫布生活在現在，這個辦法可能就不好使了，因為每一位船員都可以借助先進的衛星導航系統搜索到當前的具體位置。

1945 年，英國科幻小說家阿瑟?克拉克（1917—2008）為《無線電世界》寫了一篇《地球外的傳播》，詳細預言了可將廣播和電視信號傳播到全世界的遠程地球同步通信衛星系統，給人們研制人造地球衛星帶來極大的啟發。

第一顆人造地球衛星

1957年10月4日，第一顆人造地球衛星“斯普特尼克1號”成功發射，它由鍍鉻合金制成，重83.6千克，外表呈球型，直徑58厘米，在近地軌道上運行了92個晝夜，繞地球飛行1400圈，總航程6000萬千米。人類從此進入了利用航天器探索外層空間的新時代。

多普勒效應

作為冷戰時期的對手，美國的科學家十分關注，希望通過無線電信號監測蘇聯衛星的動向。美國有兩位科學家：數學家比爾?蓋伊和物理學家喬治?威芬巴赫，他們在著名的霍普金斯的應用物理實驗室里發現了一個現象：衛星頻率出現了多普勒效應。

多普勒效應又是什么

克里斯琴?約翰?多普勒（Christian Johann Doppler）是奧地利物理學家和數學家。1842年的一天，多普勒正路過鐵路交叉處，恰逢一列火車從他身旁馳過，他發現火車從遠而近時汽笛聲變響、音調變尖，而火車從近到遠時汽笛聲逐漸變弱、音調變低。

多普勒對這個物理現象產生了極大興趣，經過研究發現，振源與觀測者之間存在相對運動，觀測者聽到的聲音頻率不同于振源頻率，也就是有頻移現象。當聲源相對于觀測者在運動時，觀測者聽到的聲音會發生變化。

當聲源離觀測者遠去時，隨著聲波的波長增加，音調變得低沉;當聲源接近觀測者時，聲波的波長減小，音調變高。音調的變化同聲源與觀測者間的相對速度和聲速的比值有關，比值越大，改變越顯著。

多普勒效應也存在于其他類型的波中，例如光波和電磁波。愛德文?哈勃（Edwin Hubble）通過多普勒效應得出宇宙正在膨脹的結論。他發現遠離銀河系的天體發射的光線頻率變低，即移向光譜的紅端，稱為紅移，天體離開銀河系的速度越快紅移越大，這說明這些天體在遠離銀河系。反之，如果天體正移向銀河系，光線則會發生藍移。

對于電磁波，如果在高度運動的物體上（例如高鐵）進行無線通信，會出現信號質量下降等現象，這也是因為電磁波存在多普勒頻移現象。

第一個衛星導航系統

美國的兩位年輕科學家在接收蘇聯人造地球衛星信號時，發現衛星相對于地面接收機的運動速度是變化的，而且會因兩者的靠近和遠離，出現頻率升高和降低。根據多普勒測量結果，可以確定衛星的運動速度，計算出衛星與接收設備（收音機）之間的距離。

威廉?古伊爾(左)和喬治?維芬巴赫（右）向弗蘭克?麥克盧爾（中）介紹利用多普勒頻移跟蹤蘇聯人造衛星的思路

當兩位科學家興奮地把這一研究成果告訴了當時的實驗室主任弗蘭克?麥克盧爾時，恰好弗蘭克正在做關于海軍的一項研究，研究如何讓五角大樓知道美國海軍軍艦在茫茫大海中的具體位置。弗蘭克聽到兩位科學家的匯報后眼前一亮：既然可以知道衛星在哪里，把問題反過來考慮，通過衛星也可以知道海軍軍艦在哪里，定位問題就可以解決了！

通過地面站測量到人造地球衛星信號，得到的多普勒頻移圖形可以確定衛星軌道。通過衛星軌道，又可以知道地面接收機的位置。對導航系統有重大需求的美國海軍，需要新的技術手段精確引導新型潛艇完成地球極區任務，于是推動第一個衛星導航系統的誕生。因為衛星軌道通過地球的兩級，我們在翻譯時稱為子午儀衛星導航系統。子午儀衛星導航系統用5～6顆衛星組成的星網工作，每天最多繞地球13次。

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衛星組成“網”工作？

想要更好地確定自己的位置，或者通過衛星為自己導航，最好同時接收三顆以上衛星的信號。人們將天上同時工作的幾顆衛星，與捕魚的“網”聯想到一起，所以形象地稱為“星網”。

當時，美國海軍在衛星進入可接收范圍后，潛艇的接收天線需要露出海面，在衛星通過的十多分鐘內連續記錄信號，確定水平面內兩維的位置，定位精度達到250米，只是還不能知道自己位置的高度。如果想再次確定位置，需要等上百分鐘后才能有后續衛星通過，并且每次只能見到一顆衛星。

子午儀衛星導航系統為人類服務了30多年，直到1996年，它被更強大的GPS系統完全替代，才宣告正式退出歷史舞臺。

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定位與導航的區別

定位是指確定某一對象的具體位置，如緯度、經度和高度。導航是指引導某一對象，從一點到達另一點或者說是從一個地方到達另一個地方。

衛星軌道是指繞地球運行的軌跡

從20世紀60年代開始，在子午儀衛星導航系統的基礎上，美國又設想了一種全新的衛星導航系統：定位精度更高、三維定位、每天24小時、每周7天不停頓地工作，每個用戶需要4顆或者更多的衛星來確定位置。要想滿足這些條件，達到全球覆蓋能力，必須找出最經濟實用的辦法，所以問題又來了：衛星該采用低、中、高，哪種軌道更合適呢？

衛星軌道

在地球表面的衛星脫離地球的水平速度叫第一宇宙速度，大致為7.9千米/秒，即環繞速度。衛星只要獲得這一水平方向的速度后，不需要再加動力就可以環繞地球飛行。衛星繞地球運行的軌跡叫衛星軌道。

如果采用低軌，發射成本低，精度也高，這都非常好，可是要想實現對全球的覆蓋，需要發射200顆衛星。對于剛起步階段，成本有些太高。

如果采用高軌，理論上說，三顆星就能覆蓋全球，但是，高軌衛星的發射難度太大了，更重要的是定位精度會很低，不利于使用多普勒頻移的解算方法。

國際上廣泛采用經濟又實惠的中軌道辦法，衛星覆蓋全球只需要24～36顆衛星。24顆衛星均勻分布在6個軌道平面上，每個軌道面上有4顆衛星，地球上任何一點均能觀測到6～9顆衛星。衛星可以提供標準定位服務（民用）和精密定位服務（軍用）。

這么多顆人造衛星先后飛上天，共同為人類做事，人們為它們起了個好聽的名稱∶衛星星座。

圖片由北斗網提供

全球衛星導航系統

現在，有的衛星星座可以覆蓋全球，不僅可以用來導航，同時具備定位、導航、授時能力，具有全球覆蓋、全天候、全天時，精度高、連續性好等特點。原有的衛星導航系統的名字已不足以表述它的超凡能力，于是為它起了個新的名字：全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）。人們對于不能覆蓋全球的星座稱為區域衛星導航系統。

目前，全球四大全球衛星導航系統分別為美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯、中國的北斗、歐洲的伽利略。

1978年，美國成功發射第一顆GPS試驗衛星，開創了無線電導航的新時代。直到1994年建成信號幾乎覆蓋全球的GPS工作星座，共歷時16年，耗資約200億美元。GPS星座由24顆衛星組成，衛星分布在6個等間隔的軌道面內，每個軌道部署4顆衛星，最多可達11顆星。目前美國已開始著手布設第三代GPS，準備把精度提高三倍，抗干擾能力提高八倍，衛星壽命將延長至15年，將在2020年左右完成GPS衛星的全部更新。

美國第三代導航衛星

在美國研制GPS之后不久，蘇聯也開始研制自己的衛星導航系統。1982年，第一顆格洛納斯衛星和兩顆試驗衛星發射升空，但這三顆衛星都沒能運行，到1984年，作為試驗使用的4顆衛星才成功運行。1996年，俄羅斯將24顆格洛納斯衛星部署完畢。但是，格洛納斯系統缺乏足夠的資金支持，而且衛星壽命過短，太空中的可用衛星數量逐漸減少，到21世紀初，只有14顆衛星運行，整個星座已經不能獨立完成全球連續導航任務。近十年來，俄羅斯出臺了一系列相關政策，積極籌措資金，拯救格洛納斯系統，到2011年底，在軌的格洛納斯衛星達到了24顆滿星座狀態，使系統全面恢復工作。

中國的北斗導航衛星

中國是繼美、俄之后世界上第三個擁有自主衛星導航系統的國家。目前，我國正在加緊建設北斗全球衛星導航系統，計劃于2020年左右建成，完成35顆衛星發射組網，為全球用戶提供服務。作為強勁的后發力量，中國的衛星導航系統同時具備獨特的短報文功能。

我們可以暢想一下，等到了2020年，四大全球導航系統的所有衛星全部進入軌道并開始正常工作時，天上將有120余顆工作衛星，加上星基增強工作衛星，導航可利用的衛星總數將超過140顆。

朔源我國衛星發展歷程

中國其實一直有開發人造衛星的愿望和行動，中國人造衛星的歷史可以追溯到1958年，當時提出“兩彈一星”工程中的“一星”，就是指人造衛星。那一年，毛澤東主席做出“我們也要搞人造衛星”的指示，于是研制人造衛星成為1958年的第一號任務，代號“581”工程。1970年4月，中國發射了第一顆人造衛星“東方紅”，其功能是向全世界播放《東方紅》歌曲。

之后中國一直在研究各種衛星，通信衛星、氣象衛星，都是有實用價值的。導航系統造價太高、時間太長，建國沒多久的中國沒有那么大財力，所以力不從心。

中國在20世紀80年代初，陳芳允院士就提出要做自己的導航衛星，用兩顆衛星定位（由于只有兩顆衛星，所以要知道自身的海拔高度，讓地心當第三顆衛星，進行定位）。

北斗衛星導航系統最早的英文明名為COMPASS，意思是“指南針”。衛星收發信號需要占用頻率，去國際電信聯盟申請頻率就相當于開公司要先到工商管理部門申請營業執照。在北斗衛星導航系統建成后，正式起名為“北斗”。

關于“北斗”系統，標準的描述為北斗衛星導航系統，是我國自主建設、獨立運行，與國際上其他衛星導航系統兼容共用的全球衛星導航系統，可在全球范圍內全天候、全天時，為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導航、授時服務。