導(dǎo)航衛(wèi)星：太空里的指南針

從遠(yuǎn)古時(shí)代開(kāi)始，怎樣找到方向就是人類最頭疼的事情之一。不論在大地、森林、草原還是海洋，人們往往會(huì)不知道自己身處何方，不知道來(lái)路和去路。或許正是因?yàn)槿绱?，才有了著名的哲學(xué)三問(wèn)：我是誰(shuí)？我從哪里來(lái)，我要到何處去？

初期的導(dǎo)航系統(tǒng)

隨著人類天文觀測(cè)的深入，用星象來(lái)導(dǎo)航，逐步成為了一種常用的方法。特別是在茫茫大海上，人們除了漫天星斗和耀眼的太陽(yáng)，幾乎什么也看不到。然而天文導(dǎo)航也有著自己的缺點(diǎn)，最致命的問(wèn)題就是精度不夠。在風(fēng)帆時(shí)代，船只航行的速度很慢，精度就成了一個(gè)性命攸關(guān)的問(wèn)題。因?yàn)槿绻x了那么幾度而沒(méi)有找到大陸的方向，甚至僅僅是錯(cuò)過(guò)了港口幾天的路程，船上的淡水喝完了、糧食吃完了，就有可能出人命。

因此航天技術(shù)出現(xiàn)以后，用人造衛(wèi)星來(lái)給地球大氣層以內(nèi)的人們提供導(dǎo)航定位服務(wù)，就成了一種旺盛的需求。世界上第一種真正投入使用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是子午儀系統(tǒng)，它采用的是多普勒導(dǎo)航技術(shù)。人們都很熟悉多普勒效應(yīng)，也就是說(shuō)，當(dāng)人們迎著電磁波的方向前進(jìn)，就會(huì)感受到頻率有所提高，波長(zhǎng)有所減少；反之就是頻率降低和波長(zhǎng)變大。子午儀系統(tǒng)在工程上取得了成功，但是依然存在著很多缺點(diǎn)，主要是定位的精度低，定位所需要的時(shí)間長(zhǎng)，而且設(shè)備體積龐大，只能在比較大的船只上使用。

當(dāng)然在無(wú)線電通信技術(shù)已經(jīng)發(fā)明的時(shí)代，系統(tǒng)定位精度低，不見(jiàn)得會(huì)導(dǎo)致船員們饑渴而亡，不過(guò)對(duì)于航行的影響還是很大。特別是子午儀系統(tǒng)很難用在車輛、飛機(jī)的導(dǎo)航上。人們還是能希望，能夠有一種更精確、更方便的手段來(lái)提高導(dǎo)航的精度和速度，提高航行的效率。

現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)原理

一般來(lái)說(shuō)，只有軍事上的極端需求，才會(huì)促進(jìn)工程上的巨大突破，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)也是如此。上世紀(jì)70年代，美國(guó)海軍為了解決彈道導(dǎo)彈核潛艇的導(dǎo)航問(wèn)題，下定決心要求研制一種覆蓋全球的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，于是就催生了著名的GPS系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)和子午儀系統(tǒng)最大的不同，就是改用了導(dǎo)航碼來(lái)測(cè)定平臺(tái)的具體位置，簡(jiǎn)單說(shuō)就是，把一長(zhǎng)串?dāng)?shù)字變成無(wú)線電波發(fā)射出去，在這款無(wú)線電波里包含了衛(wèi)星的身份信息和時(shí)間信息。接收機(jī)利用這些信息，就可以計(jì)算出自己到衛(wèi)星的距離是多少。

其中的原理是這樣的：電磁波的傳播同樣是需要時(shí)間的，雖然從距離地球表面20200千米的GPS衛(wèi)星上，發(fā)出的導(dǎo)航電文在轉(zhuǎn)瞬之間就能夠到達(dá)地球，耗時(shí)一般不超過(guò)0.1秒。然而高精度的電子系統(tǒng)卻能夠準(zhǔn)確計(jì)算出，電波到底跑了多遠(yuǎn)，精確到米。那么根據(jù)幾何學(xué)的基本原理，只要拿到3顆衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，就可以計(jì)算出接收機(jī)所在的具體位置，這就是GPS導(dǎo)航的基本原理。隨后而建立起來(lái)的俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)、歐洲伽利略系統(tǒng)和中國(guó)北斗系統(tǒng)，都采用了同樣的原理。

當(dāng)然，因?yàn)楦鞣N電磁干擾因素的存在，3顆衛(wèi)星信號(hào)計(jì)算的結(jié)果，很難得出精確的位置，接收機(jī)一般需要4顆衛(wèi)星甚至更多，才能計(jì)算出精確位置。但是，GPS的優(yōu)點(diǎn)在于定位速度很快，只要接收機(jī)的計(jì)算速度夠快，就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位。這對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的物體有巨大意義，比如汽車、高速鐵路、飛機(jī)、導(dǎo)彈，甚至低軌道衛(wèi)星，都可以用GPS定位了。

飛機(jī)和低軌衛(wèi)星的飛行高度比較高，所以往往可以同時(shí)接收到12顆GPS衛(wèi)星的信號(hào)，對(duì)于導(dǎo)航來(lái)說(shuō)條件就更好一些。

導(dǎo)航系統(tǒng)改變生活

對(duì)于GPS系統(tǒng)的應(yīng)用，也讓中國(guó)的有關(guān)部門充分認(rèn)識(shí)到了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的必要性，經(jīng)過(guò)20多年的艱苦努力，中國(guó)從區(qū)域系統(tǒng)到全球系統(tǒng)一步一步建立起了屬于自己的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也成為全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一。

加上美國(guó)、俄羅斯和歐洲的導(dǎo)航系統(tǒng)，目前太空中已經(jīng)有超過(guò)100顆導(dǎo)航衛(wèi)星，在日夜不停地向地面發(fā)射著導(dǎo)航電文。這也為人們帶來(lái)了另外一種思考：如果把這4個(gè)星座的服務(wù)融合在一起，能不能讓用戶獲得更好的體驗(yàn)?zāi)兀窟@就是所謂的兼容互操作。目前，四大導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了兼容互操作，它所帶來(lái)的最大好處就是在任何一個(gè)時(shí)刻，用戶所能看到的導(dǎo)航衛(wèi)星遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)4顆，能夠?qū)崿F(xiàn)的導(dǎo)航效果當(dāng)然也就更好了。幾乎在任何一個(gè)時(shí)刻，我們拿出手機(jī)都可以得到自己的精確位置。

衛(wèi)星導(dǎo)航的推出，讓人們的生活發(fā)生了巨大變化。它與電子地圖結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了個(gè)人導(dǎo)航服務(wù)，無(wú)論走路、開(kāi)車，都不容易迷路了。它與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，還實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控，孩子們手腕上的兒童手表就是靠導(dǎo)航衛(wèi)星來(lái)定位的。導(dǎo)航還解決了無(wú)人系統(tǒng)的導(dǎo)航問(wèn)題，讓無(wú)人機(jī)、無(wú)人車、無(wú)人船的遠(yuǎn)距離航行成為了可能。在疫情期間，很多人都要靠快遞小哥來(lái)解決購(gòu)物和吃飯的問(wèn)題，有了衛(wèi)星導(dǎo)航，快遞小哥才能準(zhǔn)確、及時(shí)找到買家的位置。

衛(wèi)星導(dǎo)航當(dāng)然也對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)產(chǎn)生了巨大影響，以往需要狂轟濫炸才能夠摧毀的目標(biāo)，如今發(fā)射一兩顆導(dǎo)彈就能消滅。美國(guó)的GPS制導(dǎo)炮彈甚至要故意少裝一些炸藥，降低殺傷威力，因?yàn)樗葮O高，可以準(zhǔn)確砸在目標(biāo)腦袋上，威力小一點(diǎn)也能保證摧毀，還能避免誤傷旁人從而被輿論指責(zé)。

當(dāng)然，隨著俄烏沖突的爆發(fā)，GPS系統(tǒng)和格洛納斯系統(tǒng)的合作被人為地中斷了，但是對(duì)中國(guó)人來(lái)說(shuō)，擁有北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，我們的導(dǎo)航服務(wù)就有了基本的保證。