導航定位技術的發展史

王馨+朱麗+劉文婧

摘 要：在當今世界，導航已經成為人類從事政治、經濟和軍事活動所不可或缺的技術。對此，較為全面地介紹了全球導航定位技術的發展歷程，重點介紹了星基導航的幾種定位系統。

關鍵字：導航；定位； GPS；發展史

中圖分類號：V324 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）11-0131-02

據傳說，當年黃帝部落與蚩尤部落在涿鹿大戰，突起狂風暴雨，由于有指南車的指引，黃帝的軍隊在大風雨中依然能夠辨別方向，最終打敗蚩尤。此外，還有古代絲綢之路長途跋涉的駱駝隊，中國明代的鄭和下西洋。在這些事例中，如果他們沒有地物作參考/沒有導航幫忙，是不可能成功的。由此，導航的重要性可見一斑。在漢語大詞典中，導航的意思是：“引導飛行器或船舶沿一定航線從一點運動到另一點的方法。”隨著科技的不斷發展，如今導航已不僅僅應用在飛機、船舶等特定的交通工具上；在日常生活中，我們驅車自駕游、外出休閑徒步旅行或去未知地帶探險等，都可以利用導航裝置來為我們導航到希望的位置。

導航裝置品種繁多，但大致可以分為陸基導航和星基導航兩大類。從一般意義上講，可以把那些將導航設施（或媒介）置于陸地上、導航信號作用范圍限于電離層以下的空間、陸地和海洋上的導航行為，統稱為陸基導航。由于陸基導航的精度較低，所以星基導航應運而生。

1 星基導航定位系統

由于陸基導航普遍存在定位精度低、信號覆蓋范圍有限等問題，難以滿足現代航空、航海、軍事和陸地車輛的高準確度導航定位的需要。所以，以GPS為代表的星基導航系統應運而生。自人造地球衛星問世以來，人類在星基導航定位技術的研究上投入了大量的人力和財力，走過了艱苦奮斗、不斷創新、碩果累累的半個世紀，取得了巨大成功，翻開了導航領域嶄新的一頁，開創了空間技術為人類造福的新紀元。

1.1 首顆人造地球衛星

1957-l0，蘇聯成功發射了世界上首顆人造地球衛星，這顆衛星的成功發射標志著人類在空間科學技術領域進入了新紀元。此后，世界各國的人造地球衛星如雨后春筍般不斷涌現，并在天文、氣象和軍事等眾多領域得到廣泛應用。可以說，人造地球衛星是星基導航技術的奠基石。

1.2 衛星多普勒導航系統

1.2.1 美國的海軍導航衛星系統

人造地球衛星的出現，令各國的軍事部門如臨大敵，紛紛繃緊神經。1958年末，美國海軍為了給北極星核潛艇在遠海中提供全球性導航定位，委托霍普金斯大學應用物理實驗室開始研制一種新的衛星導航系統，即美國海軍衛星導航系統（Navy Navigation Satellite System，簡稱NNSS）。由于該系統的衛星通過地極，即沿地球的子午圈軌道運行，因此又被稱為子午（TRANSIT）衛星導航系統。從1959—1961年這3年時間里，研究人員先后共發射了9顆實驗性子午衛星。通過無數的努力，經過反復的驗證研究，1964年，系統終于建成并正式投入使用。該系統由分布在6個軌道面上的6顆工作衛星構成，衛星平均高度為1 000 km，衛星運行周期約為108 min。TRANSIT衛星系統采用的是多普勒定位原理，起初主要為北極星核潛艇提供服務，之后逐步發展到各種船舶的導航。盡管該系統衛星數目少，運行高度低，觀測衛星的時間間隔長，但它仍然推動了導航這一新興領域的快速發展，開啟了星基導航定位系統這一新篇章。

1.2.2 蘇聯的 TSICADA

受到美國TRANSIT系統的啟發，前蘇聯立即著手開發自己的衛星導航系統。1965年，前蘇聯建立了與TRANSIT相似的衛星導航系統。該系統也由6顆衛星構成星座，高1 000 km，有6個軌道面，衛星運行周期約為105 min。該系統主要為前蘇聯軍方提供服務。

1.3 美國的GPS

20世紀60年代初，美國國防部（DOD）、國家航空航天局（NASA）和交通部（DOT）認為子午系統無法滿足軍事和民用連續實施三維導航的迫切需求，更無法滿足高動態用戶的精密導航要求。他們希望能有這樣一個衛星導航系統——可以實現全球覆蓋、全天候工作，可以為高動態用戶提供服務，并且擁有較高的精度。1973年末，美國國防部決定將陸海空三軍種的研制工作統一起來，研制新一代的衛星導航系統，這就是我們現在所說的“導航衛星授時測距/全球定位系統”（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System），即GPS。這個項目歷經二十余年的研制，花費百億美元。1993年末，GPS可以進行初始運行。此時，它由分布在6個軌道面的24顆衛星組成。1995年初，GPS全面投入正常運行。

1.4 前蘇聯的GLONASS

為了應對美國的GPS系統，同時也為滿足本國軍事的需求，前蘇聯于1976年頒布了一個建立GLONASS的法案。1982-10，前蘇聯發射了這個系統的第一顆衛星。在1988年召開的一個國際會議上，前蘇聯表示各國可以免費使用GLONASS系統的導航服務。前蘇聯解體后，1993年俄羅斯總統葉利欽發表演說，提到GLONASS系統即將開始正式運行，成為一個工作系統。1994—1996年，在這3年時間里，俄羅斯逐漸發射衛星，并將24顆衛星星座全部布滿，至此總花費達數十億美元的GLONASS系統正式投入使用。到2005年上半年為止，已先后發射了80余顆衛星。

1.5 我國的北斗衛星導航系統

1983年，陳芳允首次提出了北斗計劃，1994年我國確立了北斗計劃。這一系統將支持制圖、航天航空、導航、災難應急救助和國防等方面的應用。2000-01，我國發射了第一顆北斗衛星，同年12月發射了第二顆。2003-05-25，我國在西昌將第三顆“北斗一號”送入太空。這顆衛星與前兩顆一起構成了我國完整的衛星導航定位系統，即北斗衛星導航系統，簡稱CNSS.

北斗系統的成功建成，填補了我國星基導航定位領域的空白，使我國成為繼美國GPS和俄羅斯GLONASS后，世界上第三個建立成熟衛星導航系統的國家。該系統的建立，將對我國國防現代化和國民經濟建設有著重要的作用。2012-12-27，北斗系統在繼續保留北斗衛星導航試驗系統有源定位、雙向授時和短報文通信服務的基礎上，向亞太大部分地區正式提供連續無源定位、導航、授時等服務，民用服務與GPS一樣免費。預計到2020年，將建成由5顆地球靜止軌道和30顆地球非靜止軌道衛星組網而成的全球衛星導航系統。

2 結束語

隨著人類文明的快速發展和科學技術的日新月異，從原始時期的尋路、判別方向，到后來的陸基導航，再到現在的全球衛星導航定位系統，無不體現著人類智慧的結晶。衛星導航系統除了給人們日常生活提供便利外，還在科技、經濟、軍事領域發揮著不可替代的作用，它已經漸漸成為衡量一個國家綜合實力的標準。

參考文獻

[1]王惠南.GPS導航原理與應用[M].北京：科學出版社，2003.

[2]劉基余.GPS衛星導航原理與方法[M].北京：科學出版社，2003.

[3]劉大杰，施一民，過靜珺.GPS導航原理與應用[M].上海：同濟大學出版社，1996.

[4]李塔，栗麗.全球定位系統（GPS）簡介[J].林業科技情報，2008（01）.

[5]張惠，張健，劉超.全球定位系統（GPS）技術的發展現狀及未來發展趨勢[J].儀器儀表標準化與計量，2011（02）.

〔編輯：李玨〕endprint