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卫星导航技术的源起很有戏剧性

发布时间:2016-07-15

在卫星导航技术发明之前,人们出行要判断自己的位置和方向走过了漫长的道路,而现代定位服务技术的兴起与不断发展,是随着信息科技的发展进程而逐步完善的。

史前人类将自己生活的环境、走过的路线等用符号标刻在树皮或兽皮上,这可以说是人类最早使用的地图;后来我们的祖先学会了通过观测北极星来辨别方向,之后又发明了指南针,并于12世纪传入欧洲。20世纪20~30年代,人们发明了无线电测向技术。这种技术主要是利用电磁波的特性:在均匀理想媒质中沿直线传播,在自由空间的传播速度恒定,遇到障碍物时会发生反射。导航设备能测量出所在载体相对于导航台的方向、距离、距离差、速度等参量。二战期间,无线电导航技术迅速发展,成为当时航海和航空最重要的导航手段,至今仍在使用。但是无线电波易被发现和干扰,保密性不高,而且过分依赖导航台,一旦导航台失效,与之对应的导航设备便无法使用。

说起来,现代卫星导航技术的源起很有戏剧性。1957年原苏联发射了世界上第一颗人造卫星。作为冷战时期的对手,美国科学家对其十分关注。他们在通过无线电信号监测这颗卫星的动向时,偶然产生了一个灵感:把无线电导航信源从地面导航塔搬到卫星上去,不就可以通过卫星知道地面物体的位置了吗?这种技术运用了多普勒原理,即当一个波源和观察者产生相对运动时,观察者接收到波的频率就和波源原本的频率不相同了,波源离观察者远去时,波的频率会变高,波长会变短;反之频率变低,波长变长。

美国科学家米德尔·基里特在20世纪60年代基于这个原理开发出了美国第一代卫星定位系统——多普勒导航系统(DPL)。但是初期的卫星导航系统有两大不足:一是信号只能间断使用,因为系统只有5~7颗低轨道运行卫星,对地球上的一点来说,经常会出现没有卫星信号覆盖的时间段,这对于长期性的测量、船舶导航以及大地测量等影响不大,但对于像飞机、火箭等高速运行载体的导航,则是致命的缺陷;另一点是由于系统对用户的速度敏感不足,仅能二维定位,因此不适合航空等多种领域的应用。

随着信息技术的发展,第二代卫星定位系统GPS替换了DPL,不再运用多普勒原理进行定位,而是使用了伪码测距技术,GPS卫星在空中移动时会连续发射带有时间和位置信息的无线电信号,供GPS接收机接收,由于接收机和卫星有一定距离,接收机收到信号的时间会比卫星发射信号的时间延迟,通常称之为时延。卫星和接收机同时产生同样的伪随机码,一旦两个码实现时间同步,接收机便能测定时延。大家都知道电磁波是以光速传播的,所以将时延乘上光速,便能得到距离。而今,为了实现全覆盖、全天候定位服务,一个导航系统需要的卫星多达数十颗。

20世纪后期,中国开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路,陈芳允院士提出双星定位的设想。1994年,北斗一号系统工程建设启动,2000年发射2颗地球静止轨道卫星,建成北斗一号系统并投入使用;2012年年底,北斗二号系统建成并向亚太地区提供区域服务。北斗系统与GPS系统最大的区别在于,北斗系统可以提供短报文通信功能。中国计划2020年前后,建成北斗全球系统,可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、测速、授时服务,并兼具短报文通信能力。

(来源:人民邮电报 编辑:陈飚)

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