卫星导航定位告诉我 —— 我在哪里

卫星导航定位告诉我
—— 我在哪里

同学们是否想过一个问题，这个问题是：“我在什么地方？”通常，人们把在什么都不知道的前提下，从一个熟悉的地方移动到另一个陌生的地方，习惯地称为“冒险的行为”。

多少个世纪以来，人们始终在思索：“我现在在哪里？”“我一会儿要去哪里？”或许还会有：“我的食物藏在哪里？”

很早以前开始的航行

史前的人类将生活的环境、走过的路线等用符号标刻在树皮或兽皮上，成为人类已知的最早使用的地图。人类在新石器时代晚期就已有了航海活动，当时中国大陆制造的一些物品，在我国台湾岛、大洋洲，以至厄瓜多尔等地均有发现。殷商与西周时期，人们除了会制造船舶之外，也可以制造帆，利用风力航行。甲骨文用“凡”通假“帆”字，说明当时的人们已经会使用帆。春秋战国时期人们将中国东部外测的不同水域划分成“北海”（今渤海）、“东海”（今黄海）和“南海”（今东海），已了解到大小江河最后都会流入大海。战国时期人们对二十八星宿和一些恒星进行定量观测，白天利用太阳，晚上依靠北极星确定方向。在陆地上使用的“司南”可以随时指示行进的方向。

全球船舶AIS数据展示——图片由北京国遥信通科技有限公司提供

中国在汉代时期已可以远航至印度，把当时的罗马帝国与中国联系起来。东汉应勋在《风俗通义》中提到：“五月有落梅风，江淮以为信风。”“落梅风”是指梅雨季节以后出现的东南季风，可以看出两汉时期的人们利用季风远洋航行。唐代为扩大海外贸易，开辟了海上丝绸之路，船舶曾远航到亚丁湾附近，航行者已掌握利用北极星的高度进行定位（确定位置）和导航（沿一定的线路从一点运动到另一点的方法）。

最初的航海主要依靠山形水势和地物为导航标志，人们只能在离海岸线不远的地方航行，航路受到限制。到了宋朝，借助灵敏的指南针，人们在没有任何参照物的环境下也能掌握航路，确定方向。沈括在《梦溪笔谈》中介绍了指南针的四种用法：水法，用指南针穿过灯芯草而浮于水面；指法，将指南针搁在指甲上；碗法，将指南针放在碗沿；丝悬法，将独股蚕丝用蜡粘于针腰处，在无风处悬挂。磁针的制作，已开始采用人工磁化方法。

现在我们已经知道，地球的两个磁极和地理的南北极只是非常接近，并不重合。磁针指向的是地球磁极而不是地理的南北极，也就是说磁针指的不是我们通常认为的正南、正北方向，而是略有偏差，这个角度叫磁偏角。又因为地球近似球形，所以磁针指向磁极时必向下倾斜，和水平方向有一个夹角，这个夹角称为磁倾角。不同地点的磁偏角和磁倾角都不相同。成书于北宋的《武经总要》在谈到用地磁法制造指南针时，就注意利用了磁倾角。沈括在《梦溪笔谈》也谈到指南针“常微偏东，不全南也”。

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当时人们航海的原则是：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针”意思是：航海的人辨别方向，夜晚观察星星，白天观察太阳，阴天的时候就看指南针。说明当时在海上航行时，在见不到日月星辰的日子，人们才会选择使用指南针来确定方向。

后来人们将磁针和方位盘联成一体，盘面刻有24个方向，通过磁针在方位盘的位置确定方位，称为“罗经盘”，或称“罗盘”。

在出航时，随时用指南针确定船的具体位置，用针标记在图上，待航行结束后，再用笔记录，“针路图”成为当时人们记录航行线路的方法。

1405年到1433年，中国最杰出的航海家郑和率领庞大舰队先后七次下西洋，共访问了30多个在西太平洋和印度洋的国家和地区，成为世界航海史上的壮举。

清代《封舟出洋顺风针路图》，现藏于中国国家图书馆，图以上南下北为制图准则，用黄色表示低平的陆地，用蓝色表现耸立的山峰和岛屿，描绘了由福州罗星塔（在今福建马尾）出航，依次经东沙岛、鸡笼山（今台湾基隆港）、钓鱼台（即钓鱼岛）、黄尾屿、赤尾屿、姑米山等，最终到达琉球那霸港，并由那霸返回福州的航程。中国先民最早发现钓鱼岛列屿并为之命名。

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瑞典科学家认为，许多动物使用天体位置进行导航，但屎壳郎是唯一对不同天体进行信息采集的动物，例如：太阳、月球和恒星的具体位置

当一只屎壳郎在粪球上旋转时会将天体位置迅速存储在大脑中。当屎壳郎开始滚动粪球时，通过匹配大脑存储记忆和当前环境，能够成功沿着直线方向行进。

再来说说世界航海史

在世界航海史上，公元前4世纪希腊航海家皮忒阿斯驾驶舟船从今天的马赛出发，由海上到达易北河口，成为西方最早的海上远航。

公元前280年，埃及的托勒密二世在法罗斯岛东端建造了世界上第一座灯塔，高60多米。灯塔在导航中也发挥着重要的作用，可以引导船舶航行或指示危险区(常用来标志危险的海岸、险要的沙洲或暗礁以及通往港嘴的航道)。

12世纪，磁罗经传入欧洲后，英国人开尔文将其改进成了海军型磁罗经。1420年，葡萄牙人创办了第一所航海学校，迪亚士船长于1487年航海到非洲最南端，将该地命名为“好望角”。1492年，意大利航海家哥伦布发现了美洲大陆。

哥伦布在一开始远航的时候就准备了两本航海日志：一本记录他估计的每天行驶的实际距离，是秘密的；另一本记载的航程比实际航程小得多，是公开的。这样做是为了在航期拖延时，船员们不会失去信心。由于哥伦布总是把航速估计得过高，后来的研究者认为，他这本假的日志似乎更接近当时的实际情况。我们可以想像一下，如果哥伦布生活在现在，这个办法可能就不好使了，因为每一位船员都可以借助先进的卫星导航系统搜索到当前的具体位置。

1945 年，英国科幻小说家阿瑟・克拉克（1917—2008）为《无线电世界》写了一篇《地球外的传播》，详细预言了可将广播和电视信号传播到全世界的远程地球同步通信卫星系统，给人们研制人造地球卫星带来极大的启发。

第一颗人造地球卫星

1957年10月4日，第一颗人造地球卫星“斯普特尼克1号”成功发射，它由镀铬合金制成，重83.6千克，外表呈球型，直径58厘米，在近地轨道上运行了92个昼夜，绕地球飞行1400圈，总航程6000万千米。人类从此进入了利用航天器探索外层空间的新时代。

多普勒效应

作为冷战时期的对手，美国的科学家十分关注，希望通过无线电信号监测苏联卫星的动向。美国有两位科学家：数学家比尔•盖伊和物理学家乔治•威芬巴赫，他们在著名的霍普金斯的应用物理实验室里发现了一个现象：卫星频率出现了多普勒效应。

多普勒效应又是什么

克里斯琴・约翰・多普勒（Christian Johann Doppler）是奥地利物理学家和数学家。1842年的一天，多普勒正路过铁路交叉处，恰逢一列火车从他身旁驰过，他发现火车从远而近时汽笛声变响、音调变尖，而火车从近到远时汽笛声逐渐变弱、音调变低。

多普勒对这个物理现象产生了极大兴趣，经过研究发现，振源与观测者之间存在相对运动，观测者听到的声音频率不同于振源频率，也就是有频移现象。当声源相对于观测者在运动时，观测者听到的声音会发生变化。

当声源离观测者远去时，随着声波的波长增加，音调变得低沉;当声源接近观测者时，声波的波长减小，音调变高。音调的变化同声源与观测者间的相对速度和声速的比值有关，比值越大，改变越显著。

多普勒效应也存在于其他类型的波中，例如光波和电磁波。爱德文・哈勃（Edwin Hubble）通过多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论。他发现远离银河系的天体发射的光线频率变低，即移向光谱的红端，称为红移，天体离开银河系的速度越快红移越大，这说明这些天体在远离银河系。反之，如果天体正移向银河系，光线则会发生蓝移。

对于电磁波，如果在高度运动的物体上（例如高铁）进行无线通信，会出现信号质量下降等现象，这也是因为电磁波存在多普勒频移现象。

第一个卫星导航系统

美国的两位年轻科学家在接收苏联人造地球卫星信号时，发现卫星相对于地面接收机的运动速度是变化的，而且会因两者的靠近和远离，出现频率升高和降低。根据多普勒测量结果，可以确定卫星的运动速度，计算出卫星与接收设备（收音机）之间的距离。

威廉・古伊尔(左)和乔治・维芬巴赫（右）向弗兰克・麦克卢尔（中）介绍利用多普勒频移跟踪苏联人造卫星的思路

当两位科学家兴奋地把这一研究成果告诉了当时的实验室主任弗兰克・麦克卢尔时，恰好弗兰克正在做关于海军的一项研究，研究如何让五角大楼知道美国海军军舰在茫茫大海中的具体位置。弗兰克听到两位科学家的汇报后眼前一亮：既然可以知道卫星在哪里，把问题反过来考虑，通过卫星也可以知道海军军舰在哪里，定位问题就可以解决了！

通过地面站测量到人造地球卫星信号，得到的多普勒频移图形可以确定卫星轨道。通过卫星轨道，又可以知道地面接收机的位置。对导航系统有重大需求的美国海军，需要新的技术手段精确引导新型潜艇完成地球极区任务，于是推动第一个卫星导航系统的诞生。因为卫星轨道通过地球的两级，我们在翻译时称为子午仪卫星导航系统。子午仪卫星导航系统用5～6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕地球13次。

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卫星组成“网”工作？

想要更好地确定自己的位置，或者通过卫星为自己导航，最好同时接收三颗以上卫星的信号。人们将天上同时工作的几颗卫星，与捕鱼的“网”联想到一起，所以形象地称为“星网”。

当时，美国海军在卫星进入可接收范围后，潜艇的接收天线需要露出海面，在卫星通过的十多分钟内连续记录信号，确定水平面内两维的位置，定位精度达到250米，只是还不能知道自己位置的高度。如果想再次确定位置，需要等上百分钟后才能有后续卫星通过，并且每次只能见到一颗卫星。

子午仪卫星导航系统为人类服务了30多年，直到1996年，它被更强大的GPS系统完全替代，才宣告正式退出历史舞台。

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定位与导航的区别

定位是指确定某一对象的具体位置，如纬度、经度和高度。导航是指引导某一对象，从一点到达另一点或者说是从一个地方到达另一个地方。

卫星轨道是指绕地球运行的轨迹

从20世纪60年代开始，在子午仪卫星导航系统的基础上，美国又设想了一种全新的卫星导航系统：定位精度更高、三维定位、每天24小时、每周7天不停顿地工作，每个用户需要4颗或者更多的卫星来确定位置。要想满足这些条件，达到全球覆盖能力，必须找出最经济实用的办法，所以问题又来了：卫星该采用低、中、高，哪种轨道更合适呢？

卫星轨道

在地球表面的卫星脱离地球的水平速度叫第一宇宙速度，大致为7.9千米/秒，即环绕速度。卫星只要获得这一水平方向的速度后，不需要再加动力就可以环绕地球飞行。卫星绕地球运行的轨迹叫卫星轨道。

如果采用低轨，发射成本低，精度也高，这都非常好，可是要想实现对全球的覆盖，需要发射200颗卫星。对于刚起步阶段，成本有些太高。

如果采用高轨，理论上说，三颗星就能覆盖全球，但是，高轨卫星的发射难度太大了，更重要的是定位精度会很低，不利于使用多普勒频移的解算方法。

国际上广泛采用经济又实惠的中轨道办法，卫星覆盖全球只需要24～36颗卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上，每个轨道面上有4颗卫星，地球上任何一点均能观测到6～9颗卫星。卫星可以提供标准定位服务（民用）和精密定位服务（军用）。

这么多颗人造卫星先后飞上天，共同为人类做事，人们为它们起了个好听的名称∶卫星星座。

图片由北斗网提供

全球卫星导航系统

现在，有的卫星星座可以覆盖全球，不仅可以用来导航，同时具备定位、导航、授时能力，具有全球覆盖、全天候、全天时，精度高、连续性好等特点。原有的卫星导航系统的名字已不足以表述它的超凡能力，于是为它起了个新的名字：全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）。人们对于不能覆盖全球的星座称为区域卫星导航系统。

目前，全球四大全球卫星导航系统分别为美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、中国的北斗、欧洲的伽利略。

1978年，美国成功发射第一颗GPS试验卫星，开创了无线电导航的新时代。直到1994年建成信号几乎覆盖全球的GPS工作星座，共历时16年，耗资约200亿美元。GPS星座由24颗卫星组成，卫星分布在6个等间隔的轨道面内，每个轨道部署4颗卫星，最多可达11颗星。目前美国已开始着手布设第三代GPS，准备把精度提高三倍，抗干扰能力提高八倍，卫星寿命将延长至15年，将在2020年左右完成GPS卫星的全部更新。

美国第三代导航卫星

在美国研制GPS之后不久，苏联也开始研制自己的卫星导航系统。1982年，第一颗格洛纳斯卫星和两颗试验卫星发射升空，但这三颗卫星都没能运行，到1984年，作为试验使用的4颗卫星才成功运行。1996年，俄罗斯将24颗格洛纳斯卫星部署完毕。但是，格洛纳斯系统缺乏足够的资金支持，而且卫星寿命过短，太空中的可用卫星数量逐渐减少，到21世纪初，只有14颗卫星运行，整个星座已经不能独立完成全球连续导航任务。近十年来，俄罗斯出台了一系列相关政策，积极筹措资金，拯救格洛纳斯系统，到2011年底，在轨的格洛纳斯卫星达到了24颗满星座状态，使系统全面恢复工作。

中国的北斗导航卫星

中国是继美、俄之后世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。目前，我国正在加紧建设北斗全球卫星导航系统，计划于2020年左右建成，完成35颗卫星发射组网，为全球用户提供服务。作为强劲的后发力量，中国的卫星导航系统同时具备独特的短报文功能。

我们可以畅想一下，等到了2020年，四大全球导航系统的所有卫星全部进入轨道并开始正常工作时，天上将有120余颗工作卫星，加上星基增强工作卫星，导航可利用的卫星总数将超过140颗。

朔源我国卫星发展历程

中国其实一直有开发人造卫星的愿望和行动，中国人造卫星的历史可以追溯到1958年，当时提出“两弹一星”工程中的“一星”，就是指人造卫星。那一年，毛泽东主席做出“我们也要搞人造卫星”的指示，于是研制人造卫星成为1958年的第一号任务，代号“581”工程。1970年4月，中国发射了第一颗人造卫星“东方红”，其功能是向全世界播放《东方红》歌曲。

之后中国一直在研究各种卫星，通信卫星、气象卫星，都是有实用价值的。导航系统造价太高、时间太长，建国没多久的中国没有那么大财力，所以力不从心。

中国在20世纪80年代初，陈芳允院士就提出要做自己的导航卫星，用两颗卫星定位（由于只有两颗卫星，所以要知道自身的海拔高度，让地心当第三颗卫星，进行定位）。

北斗卫星导航系统最早的英文明名为COMPASS，意思是“指南针”。卫星收发信号需要占用频率，去国际电信联盟申请频率就相当于开公司要先到工商管理部门申请营业执照。在北斗卫星导航系统建成后，正式起名为“北斗”。

关于“北斗”系统，标准的描述为北斗卫星导航系统，是我国自主建设、独立运行，与国际上其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统，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、导航、授时服务。