巡航在苍穹的盾牌

巡航在苍穹的盾牌_谈天说地讲测绘

全球卫星定位系统——GPS

从曼伯的特殊“背包”说起

在小J生日那天，妈妈送了生日蛋糕，爸爸送的礼物是法布尔的书《昆虫记》，爷爷自然也有礼物，那是刚刚得了奥斯卡2006年动画片奖的DVD《快乐的大脚》。

小J喜欢看动画片，跟爷爷的引导分不开，那是从小就养成的爱好。他喜欢迪斯尼的动画片米老鼠与唐老鸭系列，还有《白雪公主》、《猫和老鼠》，也喜欢国产的动画片《大闹天宫》、《宝莲灯》等，所以，收到爷爷的礼物以后，格外高兴，便想法见缝插针，断断续续地看了一遍。

这部动画片一开始就把小J吸引住了，童话里讲的是南极帝企鹅“伦普部落”中与众不同的大脚企鹅曼伯的经历。曼伯从小在企鹅学校里学习唱歌时，因为嗓音特别而让老师担忧，后来独自出游时，又险遭老鹰和海豹的袭击，凭着机智，终于化险为夷。但曼伯的大脚受到伦普部落族长的歧视，被族长逐出部落。曼伯不但不记恨，反而独自前往冰洋历险，去寻找食物短缺的原因。曼伯终于亲眼看到，人类驾着轮船，张着大网捕猎鱼类，企鹅食物短缺的原因找到了，但曼伯也成了牺牲品，被大网掠走，到了一座人工营造的冰山，供人类观赏。曼伯用那双大脚跳起了踢踏舞，引起游客的喜欢，曼伯得到的奖赏是大量的鲜活鱼类，食物竟意想不到地解决了。曼伯兴高采烈地回到伦普部落，告诉所有伙伴，只要使劲地跳踢踏舞，食物就自然会得到解决，这席话遭到族长严厉的驳斥。就在此时，装在曼伯背后的电子仪器响了起来，引来一架直升机，停在冰峰顶部，从飞机上走下5个穿着红衣服的研究人员，他们看到漫山遍野的企鹅全在跳踢踏舞，整齐的节拍惊天动地。“企鹅在干吗呀？”人们被眼前的景象惊呆了，便把录像带回去研究。“企鹅是在抗议人类破坏了它们的食物链！”这是人类得出的结论。当冰海的自然环境保持和谐时，企鹅部落的子民终于吃到了鱼类。

“爷爷，我看了这部动画片心里觉得不是滋味，人类是不是太贪婪！”

爷爷苦笑一下，无奈地说：“这部动画片警示人类要保护自然界的生态平衡，要保护环境，虽然这层意思是委婉地表达出来的，但观众都能看明白，这就是大脚企鹅曼伯引起你同情的原因。企鹅是温顺的动物，不会伤人，但现在连大象都会发怒，有时主动向人类发起攻击。”

“爷爷，大象挺温顺的，干吗要攻击人类呀？”

“最近的电视报道，那是由于人类开垦土地，原始森林的面积日益缩小，象群的栖息地受到了侵犯，便结队来践踏人类种植的庄稼，人类驱赶象群，使用了猎枪，小象被击中，伤重而死，母象悲伤之余，便在小象遭枪击的地方攻击人类，一位农妇竟被踩死。所以，建立和谐社会，不仅仅是人与人之间的事，人类也要善待动物，让自然界和谐相处。”

“我就听媒体常常在呼吁，不要猎杀野生动物，自然界中的野生动物，濒临灭绝的物种越来越多了，有些人还特意想品尝珍稀的野生动物，结果让野生动物的疾病传播到人类身上。爷爷，是这样吗？”

“对呀，SARS病毒，就是从动物身上传播到人类的，还流行了一阵子呢。这是指要善待动物，特别是对那些濒危的动物，不但不能猎食，还要保护才对。对待动物是这样，对待植物也一样，最近印度孟买市大水泛滥，跟红树林的大面积消失有关，这原始的红树林带是海陆之间的缓冲带，但随着人口膨胀，城市地价上涨，带动房价上扬，为了改善居住条件，便去伐红树林，扩充城市面积，这样一来，破坏了环境的生态平衡，结果城市在自然灾害面前变得非常脆弱。”

“爷爷的意思我懂了，要保持自然界的生态平衡，不光要善待野生动物，还要绿化环境，善待植物。”

“对啦！这些道理从小得记住。等你长大了，有了知识，学会了本领，不管从事什么专业，心里都得牢记环境保护，尽量为维持生态平衡作出一些贡献。”

“我记住了！还有一个问题，爷爷送的那部动画片DVD，主角曼伯被人类放回来时，背上的那台电子仪器是GPS接收机吗？”

“你猜对了。可那个盒子里除了GPS接收机外，还应该有发送数据的遥感装置，不然人类咋知道曼伯回到哪去了？”

“在现实中，对濒危动物的研究不是也可以采取这种办法吗？”

“你说得对。其实，生物学家们早就这样做了，有些较大的物种，还可以加上微型的摄像机，这样，在实验室里通过微型计算机，不仅可以知道动物本身的活动轨迹，还可以通过显示屏，观察到物种活动的环境，只有掌握了动物的习性和活动规律，才能更好地保护这些种群，而对广袤的海洋生物，这种遥控观察就显得更重要了。”

“经爷爷这么一说，我觉得千里眼和顺风耳的观察范围越来越广泛啦。”

“孩子，你可要知道，这GPS是解密以后才允许转入民用的。”

“那最早是为了军事目的才去研制的啦？”

“是的。这是在1959年由美国海军武器实验室委托霍布金斯大学应用物理实验室研究子午仪卫星导航系统Transit，1964年1月研制出来以后装在北极星核潜艇上，用作导航定位。但这种系统仅用4～5颗卫星组成导航网，因而在全球范围只能断续给出两维坐标，即经度和纬度。为了获取三维坐标，美国政府着手研制新的导航系统，海军和空军各提出一套计划，限于经费，美国国防部于1973年批准成立一个联合计划局，指定由空军领导一个办事处，负责新系统的研究，这就是全球定位系统GPS计划。这个计划汲取了海军导航新计划Timation和空军导航计划621B的优点，研究人员中，不仅调集了海军、空军和陆军的工程技术人员，还有国防部测绘局的研究人员和当时北约集团其余九国的代表。这项计划是继阿波罗登陆计划和航天飞机计划之后的第三项主要空间计划，英文全称是Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System，直译过来就是导航卫星测时和测距/全球定位系统，其英文缩写词是NAVSTAR/GPS。我们一般使用其简称GPS。”

说着，爷爷找来一张白纸，写下一串英文名称，交给小J。

小J仔细看完英文名称，又勾起了想了解这项新技术的有关知识的强烈愿望，正想继续提问题，但爷爷一看小J的眼神就明白，便卖了个关子，告诉小J：“今天晚了，你有一大串的问题在等着哩，咱们以后找时间再细聊，好吗？”

“那——好吧。”

军事观察家们的一次激烈争论

那是一个周末的晚上，小J做完了作业，把书桌收拾利索，便默默地坐在爷爷旁边的沙发上，眼巴巴地瞅着爷爷。他突然发现，爷爷的额上虽然刻着深深的皱纹，但那张紫铜色的脸上，却透着孩子气，就像每条纹路里，都深藏着金灿灿的阳光，让人看上去暖融融的。

爷爷合上新出版的一本纪实文学书籍，抬头瞟了小J一眼，心里顿时明白了：“哦——想继续听有关GPS的事，我没猜错吧？”

小J点点头。

爷爷说：“这样吧，我先给你讲个故事，听说过海湾战争吗？”

“不就是第一次攻打伊拉克吗？”

“事情是由于伊拉克入侵科威特引起的。那是在1990年8 月2日凌晨2时，伊拉克的10万军队就越过边界，不到一天，便占领了科威特全境。联合国立即做出反应，通过了关于海湾危机的660号决议，对伊拉克进行谴责，并要求伊拉克军队立即无条件地撤出科威特。伊拉克不但没从科威特撤军，反而集结了更多的部队，准备进攻沙特阿拉伯。美国总统老布什就决定派兵进驻沙特阿拉伯，实施‘沙漠盾牌’计划，这时是1990 年8月4日，除美国外，还有英国、德国、法国等30多个国家加入这一计划。到了11月29日，联合国安理会以12票对2票的表决，通过了授权使用武力将伊拉克赶出科威特的678号决议，并给伊拉克撤军规定了最后期限是1991年1月15日。当时，中国投了弃权票。”

“为啥投弃权票呢？”

“中国是反对伊拉克入侵科威特的行为，所以，对678号以前谴责伊拉克入侵行为的有关决议是赞成的，但认为伊拉克和科威特之间的争端应该在阿拉伯世界内部解决，大国如果介入，会导致国际形势复杂化。但在最后期限之前，在各国促使下，伊拉克和美国的最后一次谈判也破裂了，于是，持续了5个多月的‘沙漠盾牌’行动便告一段落，‘沙漠风暴’行动正式开始，时间是1991年1月17日凌晨（北京时间是8时），以美国为首的多国部队集结的兵力达70万人，其中美国约43万人，第一次海湾战争终于拉开序幕。这是第二次世界大战以后美国在境外集结军队规模最大的一次。‘沙漠风暴’行动以空袭为主，动用了多国部队的空军和海军。而代号为‘沙漠军刀’的地面战斗是从2 月24日凌晨开始的，经过100小时的立体进攻，多国部队不仅收复了科威特，而且占领了伊拉克2.6万平方千米的领土。2月28日上午8时，老布什下令美军及其盟国的军队停火。3小时以后，萨达姆也被迫宣布停火，并无条件接受联合国安理会的12项决议，地面战斗终于结束，第一次海湾战争画上了句号，历时42天。伊拉克不仅被逐出了科威特，而且军队和武器损失惨重，基本上丧失了继续战斗的能力。”

“是实力相差太悬殊吗？我听说，伊拉克一天就占领了科威特，在这之前，跟伊朗打了8年仗，打成平局，在中东也算是够厉害的啦！”

“这叫棋逢对手呀！说实在的，这次海湾战争其实是新式武器的试验场，难怪战争刚结束，美国及其盟国的军事观察家们便按捺不住，开了个研讨会，看看克敌制胜的究竟是哪个军种或兵种？”

“爷爷，这场争论肯定非常激烈！”

“主张空中突袭的观察家首先开腔，他说：‘这不是明摆着的吗？还不是沙漠风暴开始的时候，空军实施轮番打击，炸毁了伊拉克大部分导弹基地、空军基地、指挥中心、交通干线、炼油厂和电站，使对方陷于瘫痪状态，大大削弱了反抗的能力。’有人立刻抢白：‘这飞机也不全是空军的，从航空母舰上起飞的飞机也不少。还有，海军的机动性能强，海军应该是起决定作用的军种。’这时有人反唇相讥：‘得了吧！哪有光凭飞机决定胜负的！空袭头一天就损失了7架飞机，伊拉克政府还把10多名俘获的多国部队飞行员带到电视台，让他们在电视屏幕上回答问题，多丢人现眼。’有人说：‘最主要的是电子战，包括雷达对抗、无线电通信对抗、光电对抗，还包括水下探测与反探测电子对抗等，在最初几轮轰炸之后，伊拉克在电子对抗中很快地丧失了对抗能力，结果，升空的作战飞机很快被击落，地对空导弹无法攻击对方的战机，只能靠高射炮来对付，命中率约1‰，所以，电子战应该当老大’，有人则表示：‘还是巡航导弹好，你们看，这战斧式巡航导弹发射后超低空飞行，雷达发现不了，在数百千米之外就可以向目标发射，既安全，又可靠，这高科技的武器，才是一张王牌。’还有的观察家不服气，忍不住说：‘飞机也好，导弹也罢，只能摧毁军事目标，即使把对方全炸平了，能解决什么问题？坦白地说吧，要想把对方赶出入侵的土地，并占领对方的领土，让对方无力反抗，这全得靠陆军，准确地说，得靠陆军中的新骑兵——武装直升机，例如阿帕奇直升机，配有激光制导的地火导弹，作战时可以由地面的士兵或另一架直升机向目标发射激光束，导弹就直奔目标去了，攻击地面坦克时百发百中。还有就是在第一次世界大战中出现的坦克，今天仍然是发动地面闪电战的得力武器，所以，陆军是最最主要的。’有人觉得这是老生常谈，争论了一圈，又回到最古老的军种了，这位军事观察家没说答案，倒是反问了一句：‘这空军和海军袭击军事目标，有些远在数百千米之外，看都看不见，怎么袭击军事目标呀？而伊拉克在幼发拉底河西岸是大片沙漠，地面部队进到里面连自己的位置都确定不了，这仗咋打呀？’”

“爷爷，这确实是问题，武器再先进，找不到军事目标也是无用武之地呀！”

“这一问呀，可把这些个满肚子学问的军事观察家们给噎住了，难道克敌制胜，还有什么新军种吗？”

“对啦，总得有排行老大的呀！”

“那位资深的军事观察家最后不慌不忙地揭开了谜底，他说：‘打仗离不开图，以前的战争用的是纸图，但在第一次海湾战争中，用的是电子地图，这是装在微型电子计算机内存中的，它既可以装在飞机上、军舰中、坦克里，也可以装在巡航导弹内，所有的军事目标可以从电子地图中读出，也可以引导各军种的装备去靠近这些要打击的目标，只要在射程之内，武器就会在发射以后自动飞向军事目标，即使是对方指挥部的地下掩体，也可以从通风口钻进地下爆炸，这就是现代战争中的信息战，而各军种的装备，依靠GPS，可以精密地确定所在的位置，即使是身处沙漠腹地的坦克手或步兵，也不会在沙漠里迷失方向。’”

“爷爷，我听老师说过，我国有位科学家彭加木是在沙漠中考察时失踪的，那时他要能带上个袖珍的GPS就不会迷路了。”

“可惜呀，那时民用的GPS产品还没有便携式的。”

“听爷爷这么一说，我倒猜出来了，那位军事观察家是明明白白地说，在现代的信息战中，测绘兵应该坐头把交椅呀！对不？”

“哈哈，这结论倒是让你给猜出来了。当时美国参谋长联席会议主席鲍威尔说过：‘这次在伊拉克的夜空中发生的一阵接一阵的爆炸声，已开始了一个新纪元，人们称之为高技术战争。人们谈论的已不再是炮火支援和大面积轰炸行动，而是外科手术室的切割，智能武器系统，精确命中率和计时作战行动。’”

“等一等，爷爷！我在纳闷，这电子地图能这么快就进入各军种的装备里吗？”

“你算算看，从‘沙漠盾牌’到进行‘沙漠风暴’，中间不是有一段间隙时间吗？在这期间美国和其盟国利用卫星相片和航空相片，集中了数千名军事测绘人员，利用精密的解析测图仪器，已经将伊拉克全境及其周边与邻国接壤地带的数字地图覆盖完毕，这就是装入各军种装备里的电子地图。电子地图存储在武器中的微型计算机内，俗称电脑。而电脑没有电子地图就看不到地球表面的一切，所以，这电子地图就好比是给电脑配上了眼睛。”

“可是，爷爷，这要是打起仗来，有许多军事目标是可以移动的，交战双方都不可能等在那儿挨打呀，在高度机动的情况下，这不能及时反映地面动态的电子地图还那么重要吗？”

“这问题提得好！这电子地图好比是基础，那些移动的目标，无论移动到哪里，总可以用三维坐标描述出移动的轨迹，这轨迹咋计算呢？就得靠移动目标在电子地图上留下的点位，这不断变化的点位可以从电子地图上读出三维坐标。”

小J拍了一下大腿，惊喜地说：“爷爷，我明白啦，根据不断变化的点位，可以算出地面目标的移动轨迹，只要移动的轨迹是有规律的，那就可以按导弹飞行的速度算出移动目标的攻击点，对吗？”

“这就对啦！袭击移动的地面目标，跟拦截对方发射的导弹，道理是一样的，只有当攻击的火力与被攻击的目标在三维空间能交会在一起，袭击才能成功。”

“这些移动目标怎么发现呢？”

“你在电视中看到过那些机身上顶着一把‘大伞’的预警飞机吗？那‘大伞’就是机载雷达的天线。‘沙漠风暴’展开以后，在伊拉克的上空1.2万米处巡航的预警飞机E-3A多达6架，这些E-3A监视着伊拉克的固定军事目标和移动军事目标，收集和整理最新的军事信息，并将优先攻击目标的三维坐标或轨迹传递给地面的指挥中心加以选择，所以，这些E-3A实际上是设在高空的前线指挥所。也可以这样理解，现代化的战争，实际上打的是一场信息战。”

“爷爷，有些军事观察家不是提出，射程最远可达1000千米的巡航导弹不是也挺厉害吗？难道巡航导弹也离不开三维坐标吗？”

“‘战斧’巡航导弹是喷气发动机推进的，实际上是一架带弹头的无人驾驶飞机，更离不开三维坐标啦。首先，得有携带‘战斧’导弹的战列舰发射点的三维坐标，然后要提供待打击目标的三维目标，有了这些最基本的数据才能算出两点间的矢量关系，也就是导弹的飞行方向和发射距离。然后电子地图才能提供沿线陆地的地形剖面，让雷达导航系统可以引领导弹作超低空的蛇形飞行，以免被对方的雷达发现，并将飞行中的地形剖面图数据与电子地图中的地形数据不断比较，来修正飞行的航线。到了接近目标时，巡航导弹的数字识别系统DSMAC中的摄像机将目标附近的图像数据和电子地图的图像数据由计算机进行识别比较，确保攻击的目标无误。你看看，这‘战斧’巡航导弹的发射，从头到尾能离得开测绘数据的支持吗？说得通俗一点，就是要解决3个问题，攻击的目标是什么？攻击的目标在哪里？目标周围是什么？为了将这些元素输入微机，一个程序员需要一周的时间，特殊情况下，还要由间谍携带数字相机拍摄某些建筑物及其附近的相片提供识别。”

“看来巡航导弹发射前的准备工作挺复杂！”

“再说陆军，无论是坦克兵或装甲兵，一到沙漠里就得晕头转向，这时，GPS就派上用场啦，有了GPS，很快就测出了到达地点的三维坐标，不但可以向对方进行远程的打击，自己也不会迷失方向啦。所以呀，你这回该明白啦，这次军事研讨会的结论是什么？”

“看来，现在战争中，测绘兵种最重要！”

“确切地说，信息战是交战双方胜负的重要因素，难怪现在有些军事演习变成了双方互相利用计算机进行模拟作战，这已经不同于冷兵器时代，现代战争可以决胜于千里之外。”

P码和C/A码

这场军事观察家的辩论，吊起了小J对GPS的浓厚兴趣，他急于想知道测量三维坐标的奥秘，耐着性子等待爷爷的解释，终于，在一个周末的晚上，他缠着爷爷来揭开谜底。

爷爷终于开口了：“这GPS能正常运转，离不开3个部分，首先，是太空中的导航卫星，这些卫星必须均匀分布；其次，要布置地面监控网，时刻监测导航卫星的轨道参数；最后是要有GPS的接收机，能够接收卫星的电文，并选择四颗卫星组成最好的定位星座，计算出三维坐标。”

“看来，最重要的是发射导航卫星，没有这些卫星，什么都免谈，这个我能理解，可是天上的导航卫星究竟有多少呢？”

“按照GPS联合计划办公室的最初设计，卫星需要24颗，分布在3个轨道平面上，每个轨道平面分布8颗卫星，这样，在地球上任何位置，能同时收到6～9颗卫星的信号，从中选择4颗卫星组成最佳星座来定位。可是，在1978年，由于压缩国防预算，减少对GPS计划的拨款，于是修改计划，将24颗卫星压缩到18颗，而这些卫星分布在6个轨道平面上，轨道平面之间的夹角为60度，每个轨道平面分布3颗卫星，彼此间隔相等，相距120度，这项计划的实施分3个阶段。从1973年至1979年为第一阶段，主要是设计论证和分析测试，这一阶段发射了4颗卫星，分布在2个轨道平面上。此时，精密测地系统也研究成功。从1986年开始，转入全面实施阶段，由航天飞机发射全部导航卫星，但中途由于‘挑战者’号航天飞机失事，使计划一度延期。截至2004年11月19日，已发射30颗工作卫星，分布在6个轨道平面（编号A～F）上，每个轨道平面内分布至少4颗卫星，卫星的运行轨道接近圆形，而且沿赤道以60度间隔均匀分布，相对于赤道面的倾斜角为55度，轨道高度为20200千米，轨道半径大致为26600千米。这样，在地球的任何位置，至少能选择4颗卫星定位，最多时，能有12颗卫星提供选择。”

“这些卫星有多大呀？”

“这些卫星是由洛克韦尔国际公司的空间部研制的，重量有774千克，是铝蜂巢结构的圆柱形，直径1.5米，两侧装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板，展开后长5.33米，总面积5平方米，这就是卫星的能源，初期功率为580瓦，形体底部有多波束的天线阵，能发射L1和L2波段信号，波束方向图能覆盖半个地球，为了控制飞行姿态和修正轨道，卫星上装有姿态控制系统。在卫星的电子系统中，包括导航电文存储器，高稳定度的原子钟和L波段双频发射机等。原子钟最初是铷钟，后改进为铯原子钟和氢原子钟，高稳定性保证了定位的高精度。”

“这第一部分是太空中的导航卫星，第二部分该是地面监控网了。”

“这些导航卫星总得要严密监控才不会出现差错，所以，地面监控网的任务也不轻，整个系统随着时间的推移在不断完善，目前整个监控网包括6个监控站、1个主控站、4个注入站。这些站分布在美国本土及三大洋中的美国基地，互相之间分工是很明确的。监控站是数据采集中心，由双频（L1/ L2）GPS接收机来采集，而接收机天线的相位中心位置早已精确测定，是已知的，监控站对每颗出现在视界内的卫星进行连续观测，并将数据传送到主控站。主控站是监控网的中心，根据各监控站发送来的跟踪观测数据，计算各卫星的轨道参数、钟差参数以及大气层的修正参数，用以更新主控站的精密卡尔曼滤波器对每颗卫星位置、速度和时间的统计估计值。这些更新后的导航电文再由主控站发向各注入站，由注入站注入相应卫星的存储器。”

“每天都要往各个卫星注入新的导航电文吗？”

“是呀，每天对各个卫星注入3～4次，这些注入站能主动向主控站发射信号，每分钟报告一次本站的工作状态。”

“爷爷，万一有些卫星出现故障怎么办？”

“主控站发现以后，可以启动备用卫星，来代替出现故障的卫星，只要保证有21颗卫星处于正常状态就行。”

“怪不得GPS系统能精密地定位，这有许多技术措施来提供保障。我想，这第三部分GPS接收机肯定是五花八门，品种繁多。”

“确实是这样。GPS接收机可以分成天线和接收两个单元，天线单元一定要置于待观测点的中心位置，而接收单元可以安置在方便的地方，两个单元之间可以用电缆连接，也可以将两个单元组装成整机。天线单元由全向接收天线和前置放大器组成，以便接收任何方向的GPS信号，将电磁波能量转化为变化规律相同的电流信号，并将微弱的信号放大，通过接收单元的信号通道送入微处理器，进行数据处理。而决定测地精度和速度的，主要是微处理器的内置软件和另外配置的应用软件。GPS对民用开放以后，GPS接收机也就商品化了，根据用途不同，其大小及精度差异也就悬殊了。例如，应用在飞行器上的高动态接收机属于X型接收机，而安装在船舶或机动车上的，可以选用Y型中动态接收机或Z型低动态接收机。按数据形式分类的有单频接收机及双频接收机。按电子器件分类的，有模拟接收机、数字接收机和混合接收机等。按用途分类，又有导航接收机、测时接收机和测地接收机等，大型的相当于笔记本计算机，小型的跟移动电话差不多，微型的接收机像手表，可以戴在手腕上。”

“爷爷，这就方便多啦。要是中小学生都能配上这种手表式的GPS接收机，那家长在家中就知道孩子们是否离开了教室，走在哪条街上，用不着天天去学校接送啦。”

爷爷笑着说：“这在不久的将来肯定不成问题，可见GPS接收机的用途太广泛啦！”

“看来，最关键的是GPS导航电文，这是导航卫星向用户提供的信息，这里面的主要内容到底是什么？”

“导航电文包括卫星的工作状态、从C/A码转换到P码所需的时间同步信息、时钟校正信息、星历表参数、全部卫星的日程表和专用电文，这些信息以每秒50比特（bit）数据流形式调制在载波信号上。”

“爷爷，C/A码和P码有什么区别？”

“GPS信号具有两种编码，C/ A码是粗码，钟频率为1.023兆赫兹；P码是精密码，钟频率为10.23兆赫兹。每颗卫星所产生的C/A码和P码都有各自唯一的编码结构，在卫星之间是各自独立的，相关值很小，这就使接收机可以加以识别。”

“那全球的用户都可以根据需要选择使用C/A码或P码，岂不是军用或民用没有区别啦？”

“限制的办法总会有的，如果地面控制系统启动卫星中的AS（反欺骗）模式，SPS（标准定位服务）用户便不能使用P码（精密码）。当AS启动后，P码便被加密构成所谓的Y码，Y码与P码有相同的基码速率，所以，往往将精密码记为P（Y）码。AS能使SPS用户不能接入P（Y）码，从而使用户不能精密定位。另外，AS加密的颤动频率的影响，使C/A码和P（Y）码都受到影响，而通过L1和L2载波频率传输的数据流产生SA误差，PPS（精密定位服务）用户能够消除SA误差，但SPS用户就无法消除SA误差。最主要的是，SA在卫星播送的星历、历书及数据中加进一个保密的偏移值，这偏移误差就带进所有SPS用户的定位结果中。”

“对付这种偏移误差有什么方法？”

“那就是无码GPS测地系统。”

“‘无码GPS测地系统’？挺新鲜！”

“还记得吗？以前给你介绍过‘甚长基线干涉法’，简称VLBI，这种测量方式，接收的信号来自银河系以外，十分微弱，需要10米以上的巨型抛物面天线和稳定性极高的原子频标，虽然测量距离远达数千千米时精度可达到厘米级，而由于设备的原因，使这种测量技术的应用受到限制。但是，随着人造卫星技术的发展，特别是GPS导航卫星的出现，使干涉法测量技术的应用有了新的转机，因为GPS卫星发射的信号，可以当成人造的射电源，这种信号要比河外源信号强105倍，因此，很小的天线就可以接收到卫星信号，这就派生出了卫星源射电干涉测地系统（VLBI/GPS）。这个测地系统的优越性是，仅需知道卫星的概略轨道参数，而不必知道P码的编码结构，就可以求得点位的三维坐标。”

“爷爷，这就解决了P码的保密难题，对吗？”

“不错！这套技术就称为无码GPS测地系统。”

“现在也有无码的GPS接收机吗？”

“当然有，美国麻省理工学院Counselman等人与Macrometric公司合作，研制出大地定位仪Macrometer V-1000，另外ISTAC公司的Model2002型定位仪，还有Series-X等，都是采用无码方式进行定位的GPS接收机。”

“爷爷，我能不能这样理解，这类无码方式的GPS接收机是防止一旦P码被控制系统启动AS模式以后，仍然可以精密定位的仪器，使用最普遍的GPS接收机仍然是使用C/ A或P码的GPS接收机，对吗？”

“那是当然啰！不然，专门发射导航卫星为了什么？所以，绝大部分都是有码的GPS接收机。”

“爷爷以前介绍过，经典大地测量中三角网的观测量是水平角和垂直角，导线测量的观测量是边长和折角，摄影测量的观测量是相片坐标，这些都是看得见摸得着的，好理解。那GPS的观测量是什么？”

“GPS的观测量是从卫星信号获得的，这样吧，我先给你介绍一下C/A码和P码的伪距观测量。上面介绍过了，伪距观测量有粗码（C/A码）伪距观测量和精码（P码）伪距观测量两种。”

“爷爷，为啥叫‘伪距’呀？”

“卫星信号是由卫星钟控制的，本地伪随机码由本地时钟控制，当两个时钟完全同步时，就可以求出卫星信号传播到地面接收机的时延量。但因为存在钟差，另外传播路径介质的各种影响，所测量的时延代表的距离并不是卫星到接收机的真实距离，专业术语就称为伪距观测量。或者，你可以理解为不是卫星到接收机的真实距离，所以，在卫星信号到达接收机的时间里要加上本地钟偏改正数，再乘以光速，才是卫星至接收机的真实距离。这就是GPS接收机测量至卫星距离的特点，与雷达测距及地面电磁波测距是不同的，其差别在于，前者测量电磁波传输时间是单向的，必须采用不同的时钟；而后者是测量电磁波往返的时间，只需同一计时器就可以了。”

“爷爷，我听懂了，就是说，在每个卫星测距的方程式中，多了一个未知数，那就是地面接收机钟偏的改正数。”

“对啦。有了接收机至卫星的距离，就好比是地面的后方交会法，可以根据卫星的坐标交会出接收机的坐标。在立体解析几何中已经给出了两点距离与两点三维坐标的关系式，那就是两点间距离的平方等于两点间三维坐标增量的平方和。有了这层关系就好办了，每颗卫星在发出信号的瞬间，其空间位置是已知的，所以，按每一颗卫星建立的观测方程式中，接收机的位置就成了3个未知数，那就是接收机的三维坐标，再加上接收机的钟偏改正数，每个伪距观测方程式中就含4个未知数。你想想，要解算4个未知数，这方程组一共需要多少个观测方程式？”

小J脱口而出：“当然得4个方程式。”

“所以，要解算4个未知数，至少得要4个方程式。因此，得观测4颗导航卫星才能求出4个未知数。这就是为什么采用伪距法时，至少要接收4颗卫星信号的原因，懂吗？”

“原来是这样！”小J恍然大悟。

“当然，在GPS接收机里，已经配置好必要的软件，一般的数值处理不需要人工介入，但工作原理是应该搞清楚的。上面介绍的是C/A码和P码伪距观测量。”

小J追问一句：“从GPS卫星信号中，还可以获得哪些观测量？”

爷爷说：“有C/A码和P码的副载波钟频相位观测量；多普勒观测量；载波相位观测量；信号比特观测量。这些观测量还可以另行组合成新的组合观测量。”

“这些观测量是供设计GPS接收机时加以选择的，对吗？”

“对呀，由于用户的多样性，所以GPS接收机的型号必须是多样化的。譬如，装在歼击机上的GPS接收机，要求能接受多个重力加速度时还能保持性能正常，而用于测绘的GPS接收机没有必要考虑这种动态的因素；远程导航用的GPS接收机得考虑航路及支路转折点的存储能力；是否需要便携式，在勘察中，每件仪器的重量都成为选择时考虑的因素。”

说到这里，爷爷把平时积累的GPS接收机样本从书柜中找出来，有重点地向小J做了介绍，加上以前在媒体上见到的实物，小J对GPS全球定位系统的印象就更加深刻了。

巡航在苍穹的盾牌

最近一段时间，小J的脑海里塞满了有关全球卫星定位系统的知识，他意识到，这跟经典的定位技术差别太大了，大到一个是在地面，另一个是在天上。也就是说，过去的经典定位技术是将三维分开的，平面大地测量主要是测量地球上的平面点位，也就是纵坐标（X）及横坐标（Y），或者说是经度和纬度。而三维中的另一维Z，是高程系统，那是采用几何水准的方法，从沿海逐渐向内陆腹地传递的。这些大地控制点，都是固定在地表上的，要想测定新的点位，得分别从平面控制系统和高程控制系统中分别引测，而引测还要受到地形类别、通视条件等各种自然因素的制约。测定一个新的点位，多费劲呀！现在倒好，有了全球卫星定位系统以后，一切都变了，地面上的控制点，不论是平面的还是高程的，已经失去了往昔的风骚，却被在苍穹间高速飞行的20多颗导航卫星给取代了。瞧瞧，这些导航卫星多神气呀！别看来去匆匆，可身上全带着密电码，只要它高兴开放，任凭是谁，只要拿着双频GPS接收机，往需要测定点位的地方一放，立马就知道了具体位置，而且是三维的坐标：X、Y、Z，多神哪！话又说回来了，这玩意儿好是好，可导航卫星上带的密电码万一不开放呢？精密定位就全完了，刀把在人家手里攥着呢，人家给啥就是啥。

一想到这儿，小J免不了嘟囔一句：“讨厌的AS模式！”

他想起了爷爷常挂在嘴边上的那句话：“有矛就有盾。”

可是，对付GPS这支矛的盾牌又在哪儿呢？

小J正想找个机会向爷爷讨教，没承想，有一天晚饭后，爷爷递给他一份晚报，在翻开的那版上，用不太醒目的版面登着一条新华社消息，标题是《北斗导航卫星顺利升空》。报道内容提到，在2007年4月14日4时11分，我国在西昌卫星发射中心用‘长征3甲’运载火箭，成功将一颗北斗导航卫星送入太空。中国有关部门负责人14日在此间表示，在未来几年里，中国将陆续发射系列北斗导航卫星，计划2008年左右满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求，并进行系统组网和试验，逐步扩展为全球卫星导航系统。

“爷爷，这是第一颗导航卫星吗？”

“已经是第五颗北斗导航卫星了。在2007年2月3日，‘北斗4’升空。而在2000年到2003年间，已发射了3颗北斗导航卫星。这次升空的‘北斗5’，标志着我国北斗卫星导航系统的开发，已经进入第二阶段。”

“为什么称‘北斗’呢？”

“我们以前在谈论实用天文学的时候，不是特别提到北斗七星吗？尤其是那颗斗柄末梢的亮星——北极星，按照中国古代的理念，是天的中心，也就是说，天体是围绕北极星旋转的。其实北极星也在旋转，不过旋转的速度，用肉眼是觉察不出来的，这是在经典测量中测定纬度和天文方位角时应用最普遍的一颗星，也就是说，凭着北极星，在茫茫的黑夜里，会为我们指引方向，就像人们在追求理想一样，永恒的北极星融入我们心中，成为神圣的代名词。这就是中国人对北斗七星特别偏爱的原因。既然是导航用的，用‘北斗’来命名这个系统不是挺好吗？”

“这北斗卫星导航系统有哪些特点呢？”

“最显著的特点就是导航卫星采用静止轨道（GEO）和非静止轨道（MEO）相结合的方式。”

“爷爷，什么叫静止轨道呀？”

“静止轨道就是利用赤道上空圆形轨道建立的，将导航卫星发射到赤道上空35786千米处以每秒3075米的速度飞行。这样，在赤道上空飞行一周正好需要23时56分，跟地球自转的时间相同，所以，卫星跟地球是同步旋转。从地球表面往上看，导航卫星像是静止不动似的。在试验阶段，第二颗卫星与第一颗卫星在赤道上相隔60度，因此又叫双星定位，而第三颗卫星是备用卫星，这三颗卫星组成了世界上第一代区域性的卫星导航系统，称为‘北斗一号’，定位只需靠静止轨道上的两颗导航卫星即可。但这种定位只能提供待定点的经度和纬度，所以，还需要结合非静止轨道上运行的导航卫星，才能测出三维坐标。”

“我明白了，这非静止轨道的导航卫星类似GPS导航卫星那样，在地面上跟踪观察，能看出卫星是移动的，对吗？”

“对呀！非静止轨道又称中圆轨道，飞行高度为21500千米，最近升空的北斗M1，就是非静止轨道运行的导航卫星。”

“如果需要让北斗卫星导航系统突破区域的范围，成为全球卫星定位系统，那北斗导航卫星也得覆盖全球，是这样吗？”

“完全正确！按我国的计划，在非静止轨道上运行的导航卫星将达到30颗，即从M1～M30，而静止轨道上的导航卫星也要增加。”

“在赤道上空得布置几颗呢？”

“在静止轨道上运行的北斗导航卫星得5颗，编号从G1～G5。”

“除了运行轨道与GPS有所不同以外，别的还有改进吗？”

“有呀！这套全球卫星定位系统，我国具有独立知识产权，不受制于任何人，其功能除了定位和授时外，还有通信功能，除了用户与中心控制系统可以互相用数字报文联络以外，用户与用户之间也可以实现双向数字报文通信，这一点对移动用户很重要，这些移动用户除了可以随时获得三维坐标以外，还可以将其位置反馈给控制中心或其他终端，每次传送的信息可达100多个汉字。”

“这通信功能对于GPS来说是没有的。”

“难怪最新一期的《简氏防务周刊》发表文章指出，中国的北斗系统对美国的GPS系统构成了挑战，美国垄断卫星导航高科技的时代即将结束。”

“爷爷，在北斗导航系统集成以前，我们是不是还得拄着美国GPS这根拐杖？”

“可以这样认为。其实，我们一直租用的是美国GPS导航系统中非军事领域的应用部分，只有美国才享有最精确的定位信号，而出租给别国的GPS卫星信号中都加入干扰信号，所以，定位的结果中只能做到大概准确。要想不受制于人，除非自己拥有，这道理是最简单不过的了。”

“那现今世界上，除了我国的北斗导航系统外，还有别的导航系统吗？”

“有呀！苏联就有‘格罗纳斯（GLONASS）’全球定位系统，在冷战时代，苏联和美国在太空领域的竞争非常激烈，首次完成人类宇宙航行的是加加林，那是苏联的宇航员。苏联从20世纪70年代开始建立卫星定位系统。苏联解体后，由俄罗斯联邦政府空间局管理，到1993年启用，主要用于军事目的。‘格罗纳斯’也是由卫星星座、地面监测控制网和用户设备3部分组成，卫星24颗，高度是19100千米，轨道周期是11小时15分，由3条轨道组成，轨道倾角64.8度，每条轨道有8颗卫星。但俄罗斯一度由于经费困难未及时发射更替卫星，使卫星数量逐渐减少，随着经济的复苏，才得到恢复。”

“这‘格罗纳斯’跟GPS的差别在哪里？”

“差别在于卫星星座的设计、信号载波频率和卫星的识别方法有所不同。”

“这套‘格罗纳斯’什么时候才能恢复使用呢？”

“目前在轨卫星剩下21颗，在轨卫星达到24颗时，可以发挥全部能力，这套系统那时候将成为军民两用系统，也可以对国际合作组织开放。并且将在GLONASS-M卫星上，除L1及L2频率外，增加L3频率，用以提高用户定位精度。除了俄罗斯之外，欧洲正在推进‘伽利略（Galileo）’计划。”

“在GPS的计划中，美国不是吸收了北约组织的成员共同参加设计的嘛！为啥欧洲还要再搞一套呢？”

“这是一套为民间用户服务的卫星导航定位系统！”

“这倒挺有意思！”小J不由得赞赏起来。

“在2005年3月9日，中国国家遥感中心与中国国家伽利略卫星导航有限公司（CGI）在北京签署了关于执行‘合作协议’的总承包协议，目前中国的有关机构已启动了欧盟伽利略计划的有关研究开发项目共14项，内容涉及空间段、地面段和用户接收机等。欧盟在2005年12月发射了第一颗伽利略在轨测试导航卫星之后，将在今后继续发射导航卫星。”

“经爷爷这么解释，我看美国的GPS独霸全球的日子已经不长啦！”

“本来嘛，GPS是因为军事用途先搞起来的，必须清醒地认识到，这原本是一支锋利的矛！”

全球卫星定位系统还能为我们做点啥

关于GPS是一支锋利的矛，这一点小J在开始听到这个词时就注意到了，但开放为民用以后，GPS立了不少汗马功劳。如今，天上的导航卫星不光是美国货了，想用密电码来限制民用单位或别国的用户这一招也不灵啦，现在使小J急于了解的是，不论哪种卫星导航系统，除了军事用途外，还能为老百姓做点什么服务呢？

爷爷早就从小J的眼神里明白孙子的心思了，但要想让小J满足好奇心，得有大块的时间，要不然，胃口吊起来以后就不好收场了。

这大块的时间，自然是周末的晚上。跟往常不一样的是，这回是爷爷主动招呼小J：“过来吧，你不是想听听这全球卫星定位系统在民用方面还能发挥什么作用吗？告诉你，这作用大着呢，首先，就是改变了传统大地测量的方法。”

“爷爷不是早就说过，咱们国家的大地测量平面基本控制网早已布设完毕，已经建立了1954年北京坐标系和1980年西安坐标系，这全球卫星定位系统不就成为马后炮啦？”

“没过时，这全球定位系统，在测量地面点的三维坐标时，有个特点，就是不受起始控制点的误差影响，瞧，决定测站点坐标的，就是天上飞的那几颗导航卫星，对地面任何测站点所传播的都是每颗卫星上同样的信号，所以，每次接收机测出的三维坐标都是独立的，虽然测站点上由于观测时间长短有别，观测时，能收到信号的卫星与测站点几何形状有所不同，测量结果也会有微小的差异，但这些误差都是独立的。不像三角网，网中的边长是由直接丈量的起始边按三角形逐个传递过来的，你想呀，离起始边近的三角形边长，误差相对小些，传递越远，累计下来的误差就越大，三角锁或三角网中部的边长，精度就弱，根据边长传递过来的平面坐标X及Y，跟着要受到影响。这跟用全球卫星定位系统测定的三维坐标当然无法相比，所以，自从有了全球卫星定位系统以后，不少大、中城市都用全球卫星定位系统来重新建立城市控制网。而国家已经用空间观测技术建立起一个新的大地控制网，这个大地控制网称为2000国家GPS大地控制网，并且已经完成了全国天文大地网与2000国家GPS大地控制网的联合平差工作。这样一来，新的坐标系诞生了，称为2000中国大地坐标系（简称为CCCS2000）。”

“爷爷，我这是第一次听说，能不能给我介绍得详细一点？”

“CCCS2000属于地心坐标系。”

“那以前我们的1954年北京坐标系和1980年西安坐标系不属于地心坐标系吗？”

“当然不是。”

“那属于什么坐标系呢？”

“属于参心坐标系。参心坐标系的原点与某一地区或某一国家采用的参考椭球的中心重合。X轴（椭球旋转轴）与地球自转轴平行，X轴在参考椭球的赤道面，并平行于天文起始子午面。”

“这参考椭球的有关数据爷爷早就介绍过了。”

“各国过去按经典大地测量建立的基本控制网都属于参心坐标系，可自从有了空间观测技术以后，发达国家已改用地心坐标系，我国周边的许多国家也开始采用地心坐标系。所以，采用地心坐标系是势在必行，使用起来也比较方便。”

“照字面理解，这地心坐标系就是以地球中心作为坐标系的原点，对吗？”

“地心坐标系要满足下面4个条件，原点是包括海洋和大气的整个地球质心；尺度为在引力相对论意义下的局部地球框架内的尺度；定向的初始值由1984.0时BIH定向给定，而定向的时间演化保证相对地壳不产生残余的全球旋转；长度单位为引力相对意义下局部地球框架中的‘米’。CCCS2000的参考历元为2000.0，CCCS2000所采用的参考椭球以a（赤道半径）、J2（动态形状因子）、GM（地心引力常数）和ω（地球自转角速度）等4个基本参数定义。”

“爷爷，我不明白刚才提到的‘BIH’指的是什么？”

“那是国际时间局（Bureau International de I’Heure）的缩写词。”

“这地心坐标系听起来有点难，爷爷能不能再讲得通俗点？”

“从几何方面可以这样理解，地心坐标系的原点位置在地球的质心，Z轴和X轴的定向由某一历元的地球定向参数确定。Y 与X、Z构成空间右手直角坐标系。地心大地坐标系的原点与总地球椭球中心（即地球质心）重合，椭球旋转轴与协议地极重合，起始大地子午面与零子午面重合。”

爷爷连说带用右手比划，这回小J算是摸着一点要领了。

“那新的2000国家GPS大地控制网的精度怎么样呢？”

“维持CCCS2000坐标系的骨干是连续运行的GPS参考站，这些骨干点的坐标精度是毫米级，速度精度可以达到±1毫米/年。而CCCS2000的框架由2000国家GPS大地控制网点构成，包括约2600个三维大地控制点，这些点的点位精度约为±3厘米。而由国务院测绘行政主管部门和军事测绘主管部门分别实施完成的全国天文大地网5万点，构成了CCCS2000框架的加密网点，其三维点位误差约为±0.3米。”

“这套新的地心坐标系如果开始使用，会影响旧测绘资料的改动，各部门会支持吗？”

“这变化最明显的要数三维坐标中的第三维大地高，而过去国家法定的高程系统是正常高，这肯定有矛盾，这种矛盾只有在法规和技术层次进行合理地解决。但大地基准现代化是中国经济走向世界，面向全球这一改革开放的大势所趋，也是使中国科技和国防走向现代化，做好‘数字中国’地理空间框架的基础。也就是说，大地测量的现代化要做到：高精度，要覆盖全部陆海领土，采用三维坐标，反映动态。这4项很重要，要反映出时态，必须提供相应的时间变率。”

“爷爷，为什么要加进时间的概念？”

“因为事物是发展的，不可能一成不变，你瞧，守时系统是由时钟实现的，而长度度量系统是由标准尺来实现的，所以，如何来选择时钟和标准尺就显得特别重要了，选择不当，就会对客观事物的描述产生歪曲。目前，守时系统由原子钟来实现，其稳定程度可以达到10-16。而标准尺则一直采用储存在巴黎法国度量局的标准量杆。可是，无论是采用原子钟计时，还是采用标准量杆去测量空间长度，都不能保证全部是稳定的。就拿标准量杆来说，本身的刻划会随时间的演变而产生变化。这样一来，标准量杆就不标准了。同样，如果原子本身随时间而演变，就不能保证由原子钟所得到的时间不产生变化，因为原子钟的守时是依据原子的能级跃迁来实现的。所以，需要定义理想的标准时间和理想的标准量杆，让其具有绝对性，不依赖于任何物质的运动形式或人的主观意志，这就是牛顿的绝对时空观。可是，任何事件的发生，必在空间与时间中进行。所以，空间和时间构成了描述一切事物的基础。但是，大家听惯了的‘时间’概念和‘空间’概念可不那么简单。”

“为什么？”

“著名科学家牛顿在1686年曾指出：‘绝对的、真实的和数学的时间，自身均匀地流逝，与一切外在的事物无关，又名延续；相对的、表象的和普通的时间是可感知及外在的（不论是精确的或是不均匀的）对运动延续的度量，它常被用以代替真实时间，如一小时、一天、一个月、一年。’”

“那牛顿对空间是怎样定义的呢？”

“牛顿对空间的定义是：‘绝对空间，其自身特性与一切外在事物无关，处处均匀，永不移动；相对空间是一些可以在绝对空间中运动的结构，或是对绝对空间的度量，人们通过它与物体的相对位置感知它。’根据牛顿的定义推论，理想的时钟和量杆与参考系的选取无关，不依赖于参考系而变。这是经典的理论。”

“既然时间那么重要，那原子钟算不算时间的标准呢？”

“这得从时间基准说起。最早选用的时间基准就是以地球相对于太阳的公转与自转为基础的，称为世界时。就是说，太阳连续两次通过地球表面某一定点的经线所需的时间为一天，这叫‘真太阳日’，真太阳日的1/86400就是真太阳日的‘秒’。由于地球公转的速度不均匀等原因，一年中真太阳日长短差的最大值达5.1秒，既然真太阳日的长短有变化，时间就很难准确了，所以，‘真太阳日’作为时间标准是有缺陷的。后来，天文学家在1886年提出用‘平太阳日’的概念来定义时间。平太阳日是假设该天体在黄道上移动的速度是均匀的，而把平太阳连续两次经过同一子午线的时间间隔称为一个平太阳日，这平太阳日的1/86400成为平太阳日的‘秒’。这虽然要比真太阳日稳定多了，但由于地球在自转的过程中受潮汐和其他力学因素的影响，自转的速度仍有微小的波动，这波动使时间单位每三年约差1秒。经过长期的天文观测，产生了运行更均匀的‘历书时’。1952年国际天文协会第八届大会决议：在天文年历中采用以地球绕太阳的公转周期为基准的计时系统‘历书时’，因此，国际计量委员会做出如下决定：‘秒为1900年1月0日历书时12时起算的回归年的1/31556925.9747。’这样一来，秒的精度提高到10-9，相当于每30年差±1秒。到了1953年，世界上第一台原子钟诞生在美国哥伦比亚大学，其原理是利用原子从某种能态转变为另一种能态时所辐射或吸收的电磁波的频率作为标准来计量时间的，于是，在1958年建立了‘原子时’。因此，计量部门就得表态了，在1967年第十三届国际计量大会决定以零磁场状态下铯（133Cs）原子基态两个超精细结构能级之间的跃迁频率作为国际通用频率标准，定义与它相应的电磁波持续9192631770个周期的时间为1秒，这就是‘原子秒’。现在全球已统一采用原子时标，从1967年以后，时间基准的名称应该由主要时钟来代替，这指的是实验室的大铯钟。美国国家标准局和加拿大国家研究院的大铯钟，其准确度已达到10-14量级。”

“爷爷，我国的时间基准能达到哪个数量级？”

“我国计量院的铯钟CsⅡ及CsⅢ能达到10-13量级，属于国际先进水平。陕西天文台为国内标准的授时中心，由该台发出的长波及短波电磁波，不仅为电台、电视台提供标准时间及频率，而且也为我国运载火箭、核潜艇、远程导弹等提供高精度的时间频率信号，这都是‘原子时’时间。”

“这么说，原子钟是目前世界上最准确的时间基准啦？”

“科学的发展是永无止境的，比大铯钟的准确度更高的‘原子喷泉光频’正在研制阶段，这种‘喷泉钟’如果能克服原子运动引起的多普勒效应和碰撞效应，就会将时间频率基准提高到一个新水平，并会引发新一轮的实验来验证物理上的基本常量。我国计量科学院于2003年研究成功NIM4#激光冷却铯原子喷泉钟，这为新一代的时间基准开辟了一条新路。”

“看来，在新的科技时代，时间基准的重要性是越来越明确了。”

“是呀，时间是第四维。”

“时间还有个传输的问题，哪种传播方法精度最高呢？”

“一般是采用因特网和电话线传播时间，这种方法的时间精度是50毫秒～1秒，频率精度对因特网来说是2×10-7，而对电话线来说，就是6×10-8，低频无线电的频率精度可以达到1×10-11，但都不如GPS系统的精度高，利用GPS系统进行时间和频率服务时，GPS单向法可使频率精度达到2×10-14，GPS共视法可达到1×10-15，而GPS载波相位法的频率精度也可达到1×10-15，目前，国际上推荐的传输方法是GPS双向法。”

“怪不得GPS除了提供测定三维坐标的服务以外，还可以提供时间服务，这就是刚才说的第四维。”

“哈哈，这就说到点子上啦，应该把利用GPS测量的三维坐标看成是该历元的t时间获得的三维值。要记住，世界万物都处在不停的运动中，所以，人们的认识要适应这个客观的存在。”

“那爷爷提到的我国大地测量参数也会改变啰。”

“这倒是个热门问题，国际上近年来对大地测量基本常数（a、GM、J2、ω）一直在讨论两个问题：第一个问题是《大地参考系统1980（简称GRS80）》的4个大地测量基本常数的数值要不要改变？第二个问题是究竟选择哪4个参数作为大地测量的基本常数？这两个问题在2003年8月国际大地测量学会（IAG）日本札幌会议期间，多数学者倾向于仍以GRS80所选择的4个参数作为大地测量的基本常数，并且这4个参数的数值仍保持不变。但由于空间技术近年的发展，需要对4个参数的数值加以精化。”

“这些常数如果要精化，那数据的位数肯定得增加了。”

于是，爷爷找出一本专著，指着其中的一张大地测量参数的数据表给小J看，小J赶紧将表的内容抄录在自己的笔记本中。其中，“西安80系”是我国目前民用坐标系所采用的大地测量基本常数值；“GRS80”是国际上采用的“大地测量参考系统1980”；“WGS84”是GPS定位时采用的“世界大地测量系统1984”；而“建议采用数值”是今后我国在地心坐标系中拟采用的数值。表中1/f是椭球的扁率。下表就是小J抄录的那张“大地测量基本常数表”。

大地测量基本常数

其实，爷爷讲的GPS改变了传统的大地测量方法，不仅可以提供民用，更主要的是军事用途，而且，在军事领域提供的三维坐标更精确。传统的大地测量方法是从确定已知点和待定点相对几何关系入手，逐点传递二维坐标，即平面位置X及Y，第三维的确定是另外一种方法，从海平面逐步将高程传递到内陆腹地，而GPS一下子就可测出地球上任意点的三维坐标，在用接收机测量点位时，完全是独立的，误差不会互相传播，更不会积累，不仅方便，而且精度高。所以，地理信息系统用地心坐标系的三维坐标来定位，优点是显而易见的。既然发达国家已普遍采用地心坐标系，我国采用地心坐标系也是指日可待的事。听完了爷爷的介绍后，小J对GPS在大地测量方面的应用有了比较清楚的印象，他仿佛跟着爷爷在蹚测绘技术近代的发展道路。听到这个份上，小J对测绘科学技术的认识，既感到深奥莫测，又觉得这门科学技术是那样的贴近老百姓的日常生活。从遥控“战斧”巡航导弹的地理信息到植入手表内的GPS芯片，谁能说GPS单单是热兵器中锋利无比的“矛”呢？小J直到后来才明白，GPS还有第四维，因为GPS可以授时。就像接触到了万花筒，在眼花缭乱的情况下，小J还急于知道GPS在民用方面更广泛的用途。他忽然想起了西陵峡中新滩古镇滑坡的灾难预报，当时是用经典的大地测量方法来监测地表的地质变化的，如果那时能用上GPS来监测，不是更迅速吗？他便带着这个问题请教爷爷。

爷爷解释说：“在灾难预报方面，不仅仅可以监测断层等局部范围的地质构造变化，使滑坡、泥石流、地震、海啸等灾难的预报更准确，GPS还可以用来监测地壳运动。由此还形成了一门新兴的边缘学科‘大地测量地球动力学’。”

小J好奇地问：“这门边缘学科牵扯到哪些学科呢？”

“当然，牵头的是大地测量学，这是基础，还有地球物理学、天文学和地质学。你看，天上地下，全揉在一门新学科里了。”

“主要研究什么？”

“这门边缘学科是利用近代涌现出来的空间大地测量方法，包括甚长基线干涉测量（VLBI）、激光测卫（SLR）、卫星测高、全球定位系统（GPS）等方法，精确测定地球表面点的几何位置、地球重力场元素、地球自转轴在空间的位置和方向以及上述各参数随时间的变化，从动力学的观点研究地球诸参数的动态变化及地球内部地球物理现象和地震机制。看看，要研究这些内容，都得以空间大地测量提供的四维数据为基础，也就是在观测时间瞬间获得的点位三维坐标。”

“看来，在空间大地测量的几种方法中，还是GPS最灵活、最经济。”

“对啦！这几种方法的精度都已经达到10-8，在几千千米距离上测量误差仅是厘米级，但VLBI及SLR（包括激光测月技术LLR），设备的体积庞大，造价昂贵，不如GPS方便，而GPS机动性又好，不仅是全天候的，而且连世界第三极的测量都用得上。所以，GPS的优点是不言而喻的。”

“爷爷，这门新兴的边缘学科的研究，在我国有啥新的动态？”

“我国建立了地壳运动观测网络，从1998年至2004年，27个基准站GPS连续观测数据，55个基本站7期观测数据和近1000个区域站3期观测数据，给出了我国大陆现今地壳运动速度场的最新观测结果，已经发表在《科学通报》2005年第二期的论文《中国大陆现今地壳运动速度场的最新观测结果》之中。论文按照中国大陆地质构造情况，将中国大陆划分成不规则的曲线网格，利用高精度GPS网平差得到的GPS速度、地震矩张量和活动断层滑动速率，研究分析了天文大地网与GPS2000网联合平差中是否需要对天文大地网地面观测值进行形变改正问题；还利用中国大陆以及蒙古、缅甸、印度、尼泊尔和喜马拉雅等周边地区多年的GPS观测资料，给出了中国大陆整体水平位移速度，拟合精度优于3毫米/年，获得了中国大陆的水平应变率场，并分析了中国大陆现今构造变形、水平应变率场的空间分布特征。还结合绝对重力测量结果分析了中国沿海海岸在欧洲框架下的水平运动及在全球框架下的垂直运动特征。综合利用GPS及VLBI技术，还可对地学板块运动模型进行验证。”

“验证的结果怎么样？”

“通过解算北美、欧亚、太平洋等12板块之间的相对运动欧拉矢量，得到了实测的板块运动模型与地学板块运动模型大体上一致，其中，极位置与地学板块模型的相应极比较接近，旋转速度略微偏大，显示澳大利亚板块在最近几年内是稳定的，太平洋板块与其余板块的极位置与地学模型较接近，这表明多种技术的组合数据提高了板块运动模型建立的准确性与可靠性。”

“爷爷，我听懂了。就是说，应用空间大地测量技术，人们对地球运动规律的认识又深化了一步，测量数据不仅使板块学说有了依据，而且会使理论上的研究更接近实际，在不断升华的过程中，我们对共同生活的星球，认识会更全面，是这样吗？”

“对！还有一点，那就是大地水准面的精化课题。你已经知道，利用GPS接收机，可以测出点位的三维坐标，这第三维就是高程，这高程是指椭球体的高程h，与大地水准正高N和高程H的关系为：h = N + H，这样，如果已知其中的两项，就可以求得第三项。因此，在陆地上，我们可以利用GPS的观测数据和经典大地测量的水准资料来精化大地水准面。”

“精化大地水准面有什么实用价值呢？”

“除了对进一步认识地球具有理论价值外，实用方面也别小瞧。你已经知道，在陆地上按经典大地测量要引测一个点的高程有多么难。坡度陡峭的山地，几何水准上不去，只有靠三角高程，而用GPS接收机就不受地形条件的限制，只要人能到达的地方，就可以测出高程，大地水准面精化以后，GPS测高，有可能代替低等级的水准测量。例如，青岛市的大地水准面精化以后，用GPS测高，精度可以达到±2厘米，因此对测绘资料密集的大城市来说，大地水准面精化的质量会更高一些。资料较稀疏的地方，可以按省或地区逐步精化，工作总是越做越细嘛。”

“爷爷，我能不能这样理解，精化大地水准面的质量越高，用GPS测高的精度就越高，对吗？”

“这就说到点子上啦！我国已经公布了19座名山的高程，今后还将陆续公布名山的高程，现在，空间大地测量的方法中，GPS越来越显示出顽强的生命力，今后可用的卫星定位系统不光是美国的GPS，还有俄国的‘格罗纳斯’定位系统，欧洲的‘伽利略’卫星导航系统，更主要的是我国的‘北斗’卫星导航系统，空间大地测量方法逐步取代传统的大地测量方法，必将引起质的变化，除了军事上的功能外，在民用方面，用途越来越广泛。”

“可不！在领航正规的测图航线时，只需将每条航线的起点及终点坐标输入高速的导航用GPS接收机，起飞后，接收机就会引领飞行器在摄区正常摄影。接收机的显示屏会标出航线及飞机移动的轨迹。更有用的是，高速公路和高速铁路的建设，离不了航摄相片，可摄影航线上有很多折角，过去目测领航时最费劲，因为有些转折点上没有明显的地标，很难找，返工率特别高。现在不用愁啦，只要将转折点的坐标输入GPS接收机，领航就简单多了，GPS接收机会引导飞行员轻巧地飞临转折点的上空。”

“我知道，过去远洋航行靠惯性导航，现在用上GPS就方便了。”

“航海用的GPS接收机与航空用的GPS接收机是不一样的，因为舰船的速度不太快，但使用的方法基本上是相同的，别看大海中海水一望无际，但海水下面有暗礁，所以海上航线也必须事先设计好，这些航线转折点的坐标同样可以输入导航接收机的微处理器，这样，舰船起航后，可以根据航行的轨迹随时修正航向。最主要的是，现在沿海各国在领海、海湾及近海专属经济开发区发现含油构造，为了在海上勘探及采油，这都涉及定位及放样的测绘工程，过去都是比较困难的任务，有了空间大地测量技术，用GPS等导航系统就很方便。别小看这放样，在陆地上算不了什么，可在大海中就不容易。”

“什么叫放样呀？”

“要想盖大厦，在图纸上画出图样来，如若要将图样变成建筑，首先得把房基拐角在地面上定下来，这才可以破土动工。将图纸上的房基拐角的坐标在地上测出来，这测量的过程在工程上叫放样。”

“那我懂了。”

“在陆地上放样，先要找一个已知坐标及高程的控制点，然后将第一个需要放样的点算出坐标方位角及边长，用全站仪来测出第一个放样点，其余的点按次序逐个放出去就行了。到了海上呢？头顶的是大锅盖一样的蓝天，剩下的，转圈都是深蓝色的海水，连个参照物都没有。过去，近海用罗兰-C（Loran-C）系统、Argo系统和子午仪定位系统可以满足综合海洋地质地球物理勘探在普查和详查方面的定位要求，到了精查阶段，应用于地震勘探时，要求定位精度在1～5米，这时用微波段的高精度定位系统和子午定位系统多次观测才能达到精度要求，如今改用GPS就很方便。而钻井平台的放样，要求定位精度优于0.1～1米，最难的是对钻井重新启用作为石油生产的平台，此时的定位精度很苛刻，要达到厘米级才行，这对于双频GPS接收机来说，自然并不困难。这全球卫星定位系统，为海洋资源开发的腾飞，增添了新的翅膀。”

“爷爷，要是在海洋上建立大地控制网，岂不是对海上航行、海底资源勘探、海洋研究更方便啦？”

“对呀！有了海洋大地控制网，海洋定位和大地水准面的测量就更方便、更准确了。但海洋的面积那么大，沿海国家只能先从陆地发展到近海和专属经济区做起，再逐步向远洋扩展。通过国际合作，将各国的海洋控制网合并成一个整体，那是人类对赖以生存的星球义不容辞的贡献！”

“那海上的控制点建在哪儿呢？”

“首先要选择海洋中的岛屿或暗礁建立控制点，也可以将控制点建在海底。”

“海底怎么建呢？”

“在海底埋设测量标志以后，再安置水声应答器，用声音来宣告海底控制点的存在。既然用GPS来布设大地控制网，可以不必考虑通视条件和图形条件的限制，布网比较自由，困难的是在海底建立控制点标志。”

“爷爷，在海底费那么大劲建立控制点标志，用处大吗？”

“那当然，对于水下潜水艇导航，用处太大啦！另外，可以检测海底的地壳运动；还可作为海底地形图控制点；当海底有工程建设时，可用来精确定位；还有，当发生海难时，可以利用这些控制点协助进行搜索、打捞及营救。你看看，这作用还小吗？”

“我原以为，到了茫茫的大海中间，要想确定舰船的位置多么不容易，在500多年前，许多航海家都在探索定位的方法，那几乎成了航海中的核心课题。如今，有了GPS，导航成了轻松的工作。另一方面，利用海洋中的大地控制网，要想在一望无际的洋面上找到需要的位置，也成为一件轻而易举的事。从此，航海不再是一件神秘莫测的事。可以说，有了GPS，汪洋大海任我行，太方便了。”

爷爷笑着点点头。