监视全球的卫星导航

骆昌芹

古时候，航海家们凭借观察天象，即观察日、月和星辰的位置来确定船只的位置，随着指南针、磁性罗盘、六分仪的发明，人们开始使用仪器设备进行导航。近代人们利用无线电技术进行导航，但无线电导航系统的导航台设在地面，这就需要在世界各地建立成百上千个导航台，花费大量人力物力，且只能保证特定区域范围内的安全航行，远不能满足全球范围内精确导航的需求。

卫星导航技术开创新纪元

人造地球卫星的出现，使人们有条件把无线电导航台搬上天空。如今，卫星导航系统能为地球上任何地方的用户，提供全天候、连续、实时的导航数据，指出用户在空间的精确位置（经度、纬度和高度），以及航行的速度等。美国的全球定位系统于1973年开始研制，包括二十四颗卫星，这些卫星都是按照预定的规律分布在轨道上的，分三个轨道平面，每个轨道面上有八颗卫星，轨道高度为两万多公里，二十四颗卫星均匀地绕地球运行。对世界各地的各类用户，如飞机、舰船、地面车辆，甚至导弹和低轨道的卫星等，都能做到有“求”必“应”。例如，迷路的部队，只要按下小型接收机的“定位”按钮，就可以立即知道自己所在位置的精确坐标，以及与目的地之间的距离和方向。

这二十四颗卫星的布置方式，保证了地球上任何地方、任何时刻至少能看到其中的六颗卫星，而实际上用户只要用四颗卫星就可以确定自己位置的精确经度、纬度和高度。

导航卫星定位系统如何定位

导航卫星全球定位系统利用三个双曲面相交确定空间点的位置。形成双曲线的几何原理是：到两个固定点的距离差为常数的动点之轨迹，是以这两个固定点为焦点的一条双曲线。平面上两条双曲线相交就能确定一个点的位置。如在海上航行的船只，同时测量到三个地面导航台站的距离，可以得到两组距离差，因此可以得到两条双曲线位置线，这两条双曲线的交点即是船的位置。同样，如果用户接收机同时测量到四颗卫星的距离，就能得到三个独立的距离差方程，也就可以计算出三个相应的旋转双曲面，三个旋转双曲面的交点即是用户接收机在空间的位置。

二十四颗卫星向地面不断发送经过加密的密码导航信号，密码信号中包含各种数据，如卫星每时每刻轨道上的位置，精确的时间数据等，密码信号是用L波段的两个频率（1227.6兆赫和1575.42兆赫）发送的。全球定位系统用户，不论是在陆地、海洋和空中航行的船只、飞机、车辆、导弹等，只要配备合适的接收机和数据处理设备，就能接收到四颗卫星发送的密码信号。根据计时测距的原理，用无线电测量技术可测得不同的时差，把这些测量数据传输给高速电子计算机计算，就可立即得到用户的确切位置。最好的接收机，获得的位置数据，误差不超过十米。该系统用户数量不受限制，且用户本身不需要发射电磁波，对用户具有较好的保密性，很适合军事用户的保密要求。

二十四颗卫星是全球定位系统的关键。卫星带有精确的原子钟、微处理机和无线电密码信号发射机等关键设备。卫星上原子钟是精确定位所必需的，原子钟偏差十亿分之一秒就会引起测距误差0.4米。目前，卫星上所用的原子钟，每昼夜偏差约为一千万分之一秒，使用这样精确的钟，在定位精准度为十米时，要求对原子钟每3到4小时校正一次，才能达到要求。而目前正在试验的一种性能较好、更为稳定的绝原子钟，每三十万年误差小于一秒，每昼夜只差一亿分之一秒，这种钟在一周内校正2到3次就够了。

地面控制设施相辅助

卫星上除装有上述关键的导航设备外，还得装上保证卫星正常工作的系统。如为卫星供电的太阳电池帆板，蓄电池和卫星姿态控制系统等。

要使二十四颗卫星所发射的密码导航数据准确无误，这就要靠地面控制设施完成。地面控制设施包括一个主控站、四个监控站和一个数据注入站。它们负责跟踪和监视所有的卫星，并把接收到的数据汇集到主控站进行数据处理，准确计算并预报卫星运行的精确轨道和时间，并对卫星上的原子钟进行校正，使整个卫星系统时间同步。数据注入站则会定期把预报的卫星精确轨道星历数据发送给卫星，更新旧轨道星历数据，利用卫星上的微处理机把数据存储起来，编成密码向地面发送。

有了全球定位系统，可以大大提高陆、海、空三军在全球范围内的作战能力，以及武器系统的命中精准度，如洲际弹道导弹、战术导弹等都可安装全球定位系统接收机，在飞行中定位，用于中途制导，修正惯性导航系统累积误差，增加命中精准度。也能使战略轰炸机精确测定投弹点的位置，这就是全球定位系统的战略意义。全球定位系统对石油和矿床的勘探、开发和地形地图的测绘等事业也有促进作用。我国全球定位系统的密码信号已部分公开供民用导航使用，并将于2020年推出自己的全球导航定位系统，为全球客户提供精确的导航和定位。