監(jiān)視全球的衛(wèi)星導(dǎo)航

駱昌芹

古時(shí)候，航海家們憑借觀察天象，即觀察日、月和星辰的位置來(lái)確定船只的位置，隨著指南針、磁性羅盤、六分儀的發(fā)明，人們開始使用儀器設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)航。近代人們利用無(wú)線電技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航，但無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航臺(tái)設(shè)在地面，這就需要在世界各地建立成百上千個(gè)導(dǎo)航臺(tái)，花費(fèi)大量人力物力，且只能保證特定區(qū)域范圍內(nèi)的安全航行，遠(yuǎn)不能滿足全球范圍內(nèi)精確導(dǎo)航的需求。

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)開創(chuàng)新紀(jì)元

人造地球衛(wèi)星的出現(xiàn)，使人們有條件把無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)搬上天空。如今，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能為地球上任何地方的用戶，提供全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，指出用戶在空間的精確位置（經(jīng)度、緯度和高度），以及航行的速度等。美國(guó)的全球定位系統(tǒng)于1973年開始研制，包括二十四顆衛(wèi)星，這些衛(wèi)星都是按照預(yù)定的規(guī)律分布在軌道上的，分三個(gè)軌道平面，每個(gè)軌道面上有八顆衛(wèi)星，軌道高度為兩萬(wàn)多公里，二十四顆衛(wèi)星均勻地繞地球運(yùn)行。對(duì)世界各地的各類用戶，如飛機(jī)、艦船、地面車輛，甚至導(dǎo)彈和低軌道的衛(wèi)星等，都能做到有“求”必“應(yīng)”。例如，迷路的部隊(duì)，只要按下小型接收機(jī)的“定位”按鈕，就可以立即知道自己所在位置的精確坐標(biāo)，以及與目的地之間的距離和方向。

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

導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)如何定位

導(dǎo)航衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)利用三個(gè)雙曲面相交確定空間點(diǎn)的位置。形成雙曲線的幾何原理是：到兩個(gè)固定點(diǎn)的距離差為常數(shù)的動(dòng)點(diǎn)之軌跡，是以這兩個(gè)固定點(diǎn)為焦點(diǎn)的一條雙曲線。平面上兩條雙曲線相交就能確定一個(gè)點(diǎn)的位置。如在海上航行的船只，同時(shí)測(cè)量到三個(gè)地面導(dǎo)航臺(tái)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(diǎn)即是船的位置。同樣，如果用戶接收機(jī)同時(shí)測(cè)量到四顆衛(wèi)星的距離，就能得到三個(gè)獨(dú)立的距離差方程，也就可以計(jì)算出三個(gè)相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)雙曲面，三個(gè)旋轉(zhuǎn)雙曲面的交點(diǎn)即是用戶接收機(jī)在空間的位置。

二十四顆衛(wèi)星向地面不斷發(fā)送經(jīng)過(guò)加密的密碼導(dǎo)航信號(hào)，密碼信號(hào)中包含各種數(shù)據(jù)，如衛(wèi)星每時(shí)每刻軌道上的位置，精確的時(shí)間數(shù)據(jù)等，密碼信號(hào)是用L波段的兩個(gè)頻率（1227.6兆赫和1575.42兆赫）發(fā)送的。全球定位系統(tǒng)用戶，不論是在陸地、海洋和空中航行的船只、飛機(jī)、車輛、導(dǎo)彈等，只要配備合適的接收機(jī)和數(shù)據(jù)處理設(shè)備，就能接收到四顆衛(wèi)星發(fā)送的密碼信號(hào)。根據(jù)計(jì)時(shí)測(cè)距的原理，用無(wú)線電測(cè)量技術(shù)可測(cè)得不同的時(shí)差，把這些測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸給高速電子計(jì)算機(jī)計(jì)算，就可立即得到用戶的確切位置。最好的接收機(jī)，獲得的位置數(shù)據(jù)，誤差不超過(guò)十米。該系統(tǒng)用戶數(shù)量不受限制，且用戶本身不需要發(fā)射電磁波，對(duì)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(wèi)星是全球定位系統(tǒng)的關(guān)鍵。衛(wèi)星帶有精確的原子鐘、微處理機(jī)和無(wú)線電密碼信號(hào)發(fā)射機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備。衛(wèi)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(huì)引起測(cè)距誤差0.4米。目前，衛(wèi)星上所用的原子鐘，每晝夜偏差約為一千萬(wàn)分之一秒，使用這樣精確的鐘，在定位精準(zhǔn)度為十米時(shí)，要求對(duì)原子鐘每3到4小時(shí)校正一次，才能達(dá)到要求。而目前正在試驗(yàn)的一種性能較好、更為穩(wěn)定的絕原子鐘，每三十萬(wàn)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(nèi)校正2到3次就夠了。

地面控制設(shè)施相輔助

衛(wèi)星上除裝有上述關(guān)鍵的導(dǎo)航設(shè)備外，還得裝上保證衛(wèi)星正常工作的系統(tǒng)。如為衛(wèi)星供電的太陽(yáng)電池帆板，蓄電池和衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)等。

要使二十四顆衛(wèi)星所發(fā)射的密碼導(dǎo)航數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤，這就要靠地面控制設(shè)施完成。地面控制設(shè)施包括一個(gè)主控站、四個(gè)監(jiān)控站和一個(gè)數(shù)據(jù)注入站。它們負(fù)責(zé)跟蹤和監(jiān)視所有的衛(wèi)星，并把接收到的數(shù)據(jù)匯集到主控站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，準(zhǔn)確計(jì)算并預(yù)報(bào)衛(wèi)星運(yùn)行的精確軌道和時(shí)間，并對(duì)衛(wèi)星上的原子鐘進(jìn)行校正，使整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間同步。數(shù)據(jù)注入站則會(huì)定期把預(yù)報(bào)的衛(wèi)星精確軌道星歷數(shù)據(jù)發(fā)送給衛(wèi)星，更新舊軌道星歷數(shù)據(jù)，利用衛(wèi)星上的微處理機(jī)把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，編成密碼向地面發(fā)送。

有了全球定位系統(tǒng)，可以大大提高陸、海、空三軍在全球范圍內(nèi)的作戰(zhàn)能力，以及武器系統(tǒng)的命中精準(zhǔn)度，如洲際彈道導(dǎo)彈、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈等都可安裝全球定位系統(tǒng)接收機(jī)，在飛行中定位，用于中途制導(dǎo)，修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)累積誤差，增加命中精準(zhǔn)度。也能使戰(zhàn)略轟炸機(jī)精確測(cè)定投彈點(diǎn)的位置，這就是全球定位系統(tǒng)的戰(zhàn)略意義。全球定位系統(tǒng)對(duì)石油和礦床的勘探、開發(fā)和地形地圖的測(cè)繪等事業(yè)也有促進(jìn)作用。我國(guó)全球定位系統(tǒng)的密碼信號(hào)已部分公開供民用導(dǎo)航使用，并將于2020年推出自己的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，為全球客戶提供精確的導(dǎo)航和定位。