“聽”衛(wèi)星的話不迷路

人類很早就注意到電磁現(xiàn)象，但直到1864年才有完整的電磁波理論。1964年，英國科學(xué)家麥克斯韋在《電磁場的動力理論》中，第一次闡明了電磁波傳播的理論基礎(chǔ)。23年后，德國物理學(xué)家赫茲在實(shí)驗(yàn)室里第一次證明了電磁波的存在。此后更多電磁波被發(fā)現(xiàn)，它們的區(qū)別只在于波長與頻率不同。

無線電指的是能在所有自由空間（包括空氣和真空）中傳播，波長在3KHz～300GHz之間的電磁波。人們發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)體中電流強(qiáng)弱的改變會產(chǎn)生無線電波，只要通過調(diào)制將信息加載到無線電波上，發(fā)射后由專門的設(shè)備接收，再通過解調(diào)就能將信息“提取”出來，這便完成了信息的傳遞。

1901年12月12日，加拿大東南角的紐芬蘭訊號山，來自意大利的著名無線電工程師伽利爾摩·馬可尼用氣球和風(fēng)箏架設(shè)起接收天線，成功接收到來自英國西南角寶竇的摩爾斯電碼“S”。這是人類有史以來第一次跨過大西洋進(jìn)行無線電通信。從此，無線電真正成為一種實(shí)用的通信媒介。人類的導(dǎo)航方式也從羅盤時(shí)代正式進(jìn)入了無線電時(shí)代。

無線電導(dǎo)航系統(tǒng)：前所未有的先進(jìn)導(dǎo)航技術(shù)

人類駕駛飛機(jī)沖上藍(lán)天后，船舶不再是唯一的越洋交通工具。飛機(jī)越飛越遠(yuǎn)，船舶越開越快，這對導(dǎo)航提出了更高的要求，現(xiàn)有的導(dǎo)航技術(shù)顯得捉襟見肘，這便催生出更先進(jìn)的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。

無線電導(dǎo)航系統(tǒng)就是利用無線電技術(shù)，對飛機(jī)、船舶或其他運(yùn)動載體進(jìn)行導(dǎo)航和定位的新型導(dǎo)航系統(tǒng)。無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的精度更高、作用距離更遠(yuǎn)、定位時(shí)間更短，使用不受時(shí)間和天氣的限制，是真正的全天候?qū)Ш健Ｋ幻媸谰兔霘⒘酥叭魏我环N導(dǎo)航方式。無線電導(dǎo)航系統(tǒng)很多，包括無線電羅盤、伏爾導(dǎo)航系統(tǒng)、塔康導(dǎo)航系統(tǒng)、羅蘭導(dǎo)航系統(tǒng)、奧米加導(dǎo)航系統(tǒng)、多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)等，其中又以羅蘭導(dǎo)航系統(tǒng)影響最大。羅蘭導(dǎo)航系統(tǒng)（簡稱“羅蘭”）是采用脈沖體制的雙曲線無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。美國國防部研制羅蘭最初是為了滿足軍事需要。羅蘭的作用距離約為1300千米，工作區(qū)定位準(zhǔn)確度約926米～1852米。夜間利用天波傳輸，羅蘭的作用距離可高達(dá)2592.8千米。也是因此，羅蘭一出世就因?yàn)榭煽啃詮?qiáng)、準(zhǔn)確度高、有效范圍大、造價(jià)經(jīng)濟(jì)而受各方青睞。

進(jìn)入民用范疇后，羅蘭的發(fā)展勢頭就更迅猛了。它很快便擁有了30多萬海洋用戶、50多萬航空用戶以及數(shù)目可觀的陸地用戶。后來美國又研發(fā)了新一代羅蘭，無論作用距離還是精度較老羅蘭都有很大的提高。為了區(qū)分，老羅蘭更名為“羅蘭A”，新羅蘭則為“羅蘭C”，為軍方服務(wù)的“羅蘭”則為“羅蘭D”。

名詞解釋

天波

天波是經(jīng)過空中電離層的反射或折射后返回地面的無線電波。

大氣層中的電離層就像一面鏡子，能將無線電波反射回地面。經(jīng)過地面與電離層的多次反射，無線電波的傳播距離可高達(dá)10000千米以上。這種利用電離層反射的傳播方式被稱為“天波傳輸”。

超級鏈接

無線電專利權(quán)之爭

1893年，美國科學(xué)家尼古拉·特斯拉在圣路易斯首次公開展示了無線電通信。隨后，他在為全國電燈協(xié)會所做的報(bào)告中描述并演示了無線電通信的基本原理。1897年，他在美國獲得了無線電技術(shù)的專利。然而美國專利局在1904年撤銷了他的專利權(quán)，并將這一專利轉(zhuǎn)而授予伽利爾摩·馬可尼。

早在大學(xué)期間，馬可尼就已經(jīng)成功將無線電信號發(fā)送到2千米之外，他也因此成為世界上第一臺實(shí)用無線電報(bào)系統(tǒng)的發(fā)明者。1897年，馬可尼在倫敦成立馬可尼無線電報(bào)公司。1909年，他獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，被尊稱為“無線電之父”。

馬可尼在1937年去世，特斯拉也在1943年去世，一切似乎已經(jīng)蓋棺論定了。可就在特斯拉去世同一年，無線電專利之爭風(fēng)云再起。美國最高法院撤銷了馬可尼的專利，并裁定特斯拉的發(fā)明在馬可尼的專利之前就已完成，認(rèn)可他對無線電關(guān)鍵技術(shù)的專利優(yōu)先權(quán)。據(jù)說之前撤銷特斯拉專利權(quán)的行為，可能是受到愛迪生、卡耐基等大人物的影響。這些大人物是馬可尼在美國的經(jīng)濟(jì)后盾。后來撤銷馬可尼的專利權(quán)，則是為了避免在“二戰(zhàn)”期間付給馬可尼公司專利使用費(fèi)，當(dāng)然這也都是些坊間傳聞而已。

無線電波容易被發(fā)現(xiàn)，也容易受到干擾。如果再讓敵人順藤摸瓜找到地面導(dǎo)航臺，并加以破壞，導(dǎo)航系統(tǒng)就癱瘓了。為了避免導(dǎo)航臺受到破壞，最好的方法是將它們藏起來。可——究竟藏在哪里才真正安全呢？

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：被“藏起來”的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)

1957年10月4日，蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一顆人造衛(wèi)星。之后美國、法國和日本也相繼發(fā)射了自己的人造衛(wèi)星。人造衛(wèi)星技術(shù)的成功讓無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)入了衛(wèi)星時(shí)代。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是目前最先進(jìn)的導(dǎo)航技術(shù)。它由空間部分、地面控制部分和用戶設(shè)備部分共同組成。從本質(zhì)來說，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也是一種無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，只是關(guān)鍵部件被“藏”到衛(wèi)星上，使用信號也從模擬信號變成數(shù)字信號。

美國從20世紀(jì)60年代開始研制衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。經(jīng)過30多年的努力，終于建成了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（簡稱“GPS”）。GPS最初是軍方項(xiàng)目，建立后也在軍方服役。冷戰(zhàn)結(jié)束后世界格局發(fā)生了變化，而民間對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的需求又極強(qiáng)，于是GPS順應(yīng)時(shí)勢進(jìn)入了民用領(lǐng)域。如今每顆GPS衛(wèi)星都會發(fā)送兩種頻率的載波信號：一種是民碼，抗干擾能力較差，供民間和商業(yè)用戶使用，用戶可自由接收：另一種是軍碼，抗干擾能力較強(qiáng)，采取加密方式，只提供給軍方和特許用戶使用。

GPS是目前使用人數(shù)最多的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。人們只需購買有GPS功能的終端設(shè)備，就能免費(fèi)使用GPS了。僅僅用了20年時(shí)間，GPS就改變了人類的生活：開車導(dǎo)航用GPS、物流追蹤用GPS、找餐館用GPS、導(dǎo)彈發(fā)射用GPS……

小貼士

子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成于1964年，是世界上第一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它專為美國海軍而研制，所以也叫“海軍衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一種海陸空全方位的導(dǎo)航，攸關(guān)制天權(quán)和制信息權(quán)的爭奪。沒有自己的獨(dú)立衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，就等于把咽喉要害交由別人去控制。也是因此，俄羅斯堅(jiān)持恢復(fù)格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（簡稱“GLONASS”），歐盟加緊建設(shè)伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)（簡稱“GALILEO”），我國則致力于研制北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（簡稱“BDS”）。

名字解釋

模擬信號和數(shù)字信號

攝像機(jī)拍攝的圖像、錄音機(jī)錄下的聲音、儀器記錄的壓力、轉(zhuǎn)速、濕度等都是模擬信號。在傳送過程中，模擬信號不可避免地會因?yàn)槭芨蓴_而失真，其失真的程度與傳送的距離成正比。數(shù)字信號則是不連續(xù)的信號，抗干擾性較強(qiáng)，能較好地避免信號失真。只要經(jīng)過信號轉(zhuǎn)變器的處理，模擬信號就能轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。不過這種處理算法較復(fù)雜，對硬件的要求較高。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：我國自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

我國研發(fā)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的想法并非近年來才有的，早在1967年，我國海軍就已經(jīng)提出要發(fā)展導(dǎo)航衛(wèi)星的建議。1970年4月24日，我國成功發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號”，這為發(fā)展導(dǎo)航衛(wèi)星的設(shè)想插上了翅膀。1970年11月，“燈塔一號”導(dǎo)航衛(wèi)星計(jì)劃正式開始。遺憾的是，這座“燈塔”最終夭折了，但是研發(fā)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的火種從沒熄滅過。

2003年，我國科學(xué)家完成了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，那時(shí)幼小的它還只有區(qū)域?qū)Ш焦δ堋Ｖ螅覈茖W(xué)家便開始構(gòu)建北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)了。完整的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段（5顆靜止軌道衛(wèi)星、27顆中地球軌道衛(wèi)星、3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星）、地面段（主控站、注入站和監(jiān)測站）和用戶段（信號接收機(jī)）三部分組成。監(jiān)測站負(fù)責(zé)接收衛(wèi)星的信號，經(jīng)初步處理后發(fā)送到主控站：主控站匯集各監(jiān)測站傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將結(jié)果（導(dǎo)航數(shù)據(jù)和指令）發(fā)送到注入站：注入站在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時(shí)，把導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站指令注入衛(wèi)星。

2012年，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式向亞太大部分地區(qū)提供服務(wù)。2014年11月，它獲得了為全球航海用戶服務(wù)的資格，成為繼GPS和GLONASS之后，第三個(gè)得到國際海事組織認(rèn)可的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。按計(jì)劃，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將于2020年完成全球體系的構(gòu)建。目前它仍處于邊建設(shè)完善邊提供服務(wù)狀態(tài)中。

隨著運(yùn)輸工具的多元化，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所服務(wù)的也不再局限于航海一隅，而是實(shí)現(xiàn)了海陸空全覆蓋。如今不管你是駕船出海、駕機(jī)上天還是駕車出行，不管你置身何處，強(qiáng)大的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總能找到你。只要你“聽”衛(wèi)星的話，就不會迷路。