卫星导航“悄然走来”

现代卫星导航技术是采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位的技术。卫星导航系统利用在太空中飞行的卫星,不断向地面广播发送某种频率和加载了某些特殊定位信息的无线电信号,来实现运动物体的导航。

卫星导航系统分为区域卫星导航系统和全球卫星导航系统,它由空间部分、地面控制部分和用户部分组成。空间部分指的就是卫星,卫星发送某种时间信号、测距信号和卫星的瞬时坐标位置信号;地面控制部分精确测定卫星的轨道坐标、时钟差异,确定系统的运行状态,并向卫星发送新的轨道坐标,进行必要的轨道纠正等;用户部分接收卫星广播发送的多种信号,并进行处理计算,从而确定用户的最终位置。目前,世界上已经运行或在建的全球导航卫星系统主要包括美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)、中国的北斗系统和欧洲的伽利略(Galileo)系统,如图1-5所示。

图1-5　已运行和在建的卫星导航系统
上:北斗卫星,下:格洛纳斯卫星,左:GPS卫星,右:伽利略卫星

1958年年初,美国科学家在跟踪第一颗人造地球卫星时,无意中发现收到的无线电信号有多普勒效应,即卫星飞近地面接收机时,收到的无线电信号的频率逐渐升高;卫星远离后,频率就变低。这一有趣的发现揭开了人类利用人造地球卫星进行导航的新纪元。

不久,美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室在美国海军的支持下,用上述原理研制了一种卫星导航系统——子午仪卫星导航系统。由于这种多普勒卫星导航系统在实际应用中的局限性,在其投入运行后,美国就致力于研发第二代卫星导航系统——GPS。这种设在太空中的无线电导航台的优点在于:它可以为全球船舶、飞机等指明方向,导航范围遍及世界各个角落;可全天候导航,即使在恶劣的天气条件下,也能昼夜指明航向;导航精度远比磁罗盘高;操作自动化程度高,不必使用任何地图即可直接读出经纬度;导航设备小,适宜在各种载体上安装使用。

美国建造GPS的初衷纯粹是满足军事需求,因为美国军方想有效地解决全球性的超高精度定位与导航问题。但是在GPS建成之后,连当时的系统策划与设计者也完全想不到卫星导航技术会有现在如此多的应用拓展。

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颗工作卫星组成,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。卫星运行的轨道是近圆轨道,约12小时绕地球一周。这样的星座布局能保证同时在地平线上的卫星数量至少是4颗,最多可达11颗,从而实现实时连续的导航。为了保证美国在卫星导航技术上的领先地位,目前, GPS系统正处在现代化改造阶段,将在2020年左右完成GPS卫星的全部更新。

在美国研制GPS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,作为试验使用的四颗卫星才成功运行。1996年,俄罗斯将24颗格洛纳斯卫星部署完毕。但是,由于格洛纳斯系统缺乏足够的资金支持,而且卫星寿命过短,太空中的可用卫星的数量逐渐减少,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。

1983年,我国科学家陈芳允院士等人提出了利用两颗地球静止轨道卫星建立我国自主卫星导航系统的设想——双星定位系统,这是一种卫星数量较少且简单实用的系统,为北斗卫星导航试验系统的建立奠定了理论基础。1994年1月,北斗导航试验卫星开始研制,2000年10月和12月,两颗北斗导航试验卫星先后成功发射并组网,北斗卫星导航试验系统初步建成。2004年,我国启动了北斗卫星导航系统的建设,从2007年到2012年共发射了16颗北斗导航卫星,它们于2012年年底正式为中国及周边地区提供服务。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,形成全球服务能力。届时,北斗导航卫星星座将由5颗地球静止轨道卫星、27颗中圆地球轨道卫星和3颗倾斜地球同步轨道卫星组成。

20世纪90年代,欧洲各国从政治、军事、经济和技术等方面的发展战略考虑,认为必须拥有自己的独立卫星导航系统。经过欧洲各国的多次商讨,2002年正式启动伽利略计划,并开始伽利略卫星的研制,2005年,第一颗伽利略试验卫星成功发射。目前,欧洲只发射了4颗试验卫星,欧洲计划在2020年左右部署完成由30颗卫星组成的星座,卫星将均匀分布在3个中高度地球轨道上,设计寿命为20年。

导航信号精度是指物体位置信息(通常是坐标)与其实际位置之间的接近程度。目前,卫星导航系统的民用信号精度一般是10~15米,军用信号精度一般是2~5米。为了满足一些应用行业对卫星导航信号精度的更高要求,主要航天国家大多建设了自己的天基增强系统和地基增强系统,天基增强系统通过地球静止轨道卫星实现,地基增强系统则由地面移动通信网实现。