從“子午儀”到GPS

GPS的中文名字叫“全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”。它的前身是美國(guó)海軍1964年研制的“子午儀”導(dǎo)航衛(wèi)星?！白游鐑x”最重要的功能是為北極星核導(dǎo)彈提供精確的定位，以便準(zhǔn)確實(shí)施核打擊。同時(shí)也用于為核潛艇和水面艦艇導(dǎo)航，兼做大地測(cè)量?！白游鐑x”是人類建立的第一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它為現(xiàn)在的GPS奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

為了解決“子午儀”存在的眾多問(wèn)題，美國(guó)從1973年開(kāi)始開(kāi)發(fā)新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GPS，到1993年全部建成并投入使用，總共耗資300多億美元。GPS系統(tǒng)包括三大部分：地面控制中心、導(dǎo)航衛(wèi)星和GPS接收裝置。負(fù)責(zé)全權(quán)控制的主控制站在美國(guó)科羅拉多，另外，三個(gè)地面天線和五個(gè)監(jiān)測(cè)站則分布在全球各地。GPS共有27顆導(dǎo)航衛(wèi)星，其中正在使用的24顆，備用的3顆。

由于增加了衛(wèi)星數(shù)量，使用了最新的計(jì)時(shí)工具，GPS不僅解決了“子午儀”不能提供海拔高度數(shù)據(jù)的缺陷，而且定位的精度大為提高。但它針對(duì)軍用和民用提供了不同的定位精度：軍用為3米，甚至可達(dá)到1米。由于對(duì)民用信號(hào)增加了干擾機(jī)制，使精度下降到100米；2005年，又取消了這一干擾機(jī)制，使民用信號(hào)的定位精度提高到了5米，推動(dòng)了GPS的普及。

我在哪兒

GPS是怎樣確定接收器在地球上的位置的呢？首先，假定我們已經(jīng)知道某一個(gè)GPS衛(wèi)星的位置，而且又能準(zhǔn)確測(cè)定你所在的地點(diǎn)A到該衛(wèi)星之間的距離，那么，A點(diǎn)一定位于以衛(wèi)星為中心、所測(cè)得的距離為半徑的圓球上。如果又測(cè)得A點(diǎn)至另一衛(wèi)星的距離，則A點(diǎn)一定處在前后兩個(gè)圓球相交的圓環(huán)上。更進(jìn)一步，還可測(cè)得A點(diǎn)與第三個(gè)衛(wèi)星的距離，這樣A點(diǎn)只能是在三個(gè)圓球相交的兩個(gè)點(diǎn)上。通過(guò)GPS內(nèi)置的邏輯系統(tǒng)，可以很容易排除其中一個(gè)不合理的位置。為了萬(wàn)無(wú)一失，GPS通常會(huì)測(cè)量A點(diǎn)到第4顆衛(wèi)星的距離，于是，4個(gè)虛擬圓球相交的點(diǎn)就是你所處的精確位置了。

顯然，GPS定位需要的第一個(gè)重要條件，是要確定衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置。為此，需要不間斷地監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的運(yùn)行狀態(tài)，適時(shí)發(fā)送控制指令，使衛(wèi)星保持正確的運(yùn)行軌道，并將正確的運(yùn)行軌跡編成類似火車時(shí)刻表的“星歷”注入衛(wèi)星，再由衛(wèi)星發(fā)送給GPS接收機(jī)。于是，你的接收器就能確定衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置了。第二個(gè)重要條件，是要準(zhǔn)確測(cè)定從衛(wèi)星到你所在地點(diǎn)的距離。根據(jù)最簡(jiǎn)單的物理公式，只要知道衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)到達(dá)接收器的間隔時(shí)間，再乘以光的傳播速度，就可以確定從導(dǎo)航衛(wèi)星到你所在處的距離了。為此，每顆導(dǎo)航衛(wèi)星上都裝有十分精密的原子鐘，并由監(jiān)測(cè)站經(jīng)常進(jìn)行校準(zhǔn)。衛(wèi)星發(fā)送導(dǎo)航信息的同時(shí)，也發(fā)送精確的時(shí)間信息，使GPS接收器的時(shí)間與自身的時(shí)鐘嚴(yán)格同步。

假如你在夜間迷了路，怎么也回不了家，突然想起自己還帶著GPS接收機(jī)，于是慌亂中啟動(dòng)了GPS導(dǎo)航，系統(tǒng)開(kāi)始自動(dòng)尋找可用的GPS衛(wèi)星。假如你的運(yùn)氣不錯(cuò)，有4顆衛(wèi)星能用而且信號(hào)清晰，于是，GPS先算出4顆衛(wèi)星離你的距離，再通過(guò)“衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)刻表”知道了這4顆衛(wèi)星的精確位置，然后，通過(guò)對(duì)比內(nèi)置地圖，確定你所在的位置。然后，一個(gè)甜美的聲音告訴你：“正前方300米右拐就是你的家！”

打破壟斷

在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，美國(guó)壟斷了全球軍用和民用衛(wèi)星導(dǎo)航市場(chǎng)。不僅經(jīng)濟(jì)上收獲頗豐，而且軍事上優(yōu)勢(shì)巨大。1991年，GPS在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中首次得到實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用。隨后，在科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)、阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)和伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中大顯身手。更為嚴(yán)重的是，長(zhǎng)期以來(lái)美國(guó)對(duì)本國(guó)軍方提供的是精確定位信號(hào)，對(duì)其他用戶提供的則是加了干擾的低精度信號(hào)。這意味著地球上任何一個(gè)目標(biāo)的準(zhǔn)確位置，只有美國(guó)人一清二楚，而其他國(guó)家只能知道個(gè)大概。更有甚者，在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)期間，美國(guó)還曾置歐盟各國(guó)利益不顧，一度關(guān)閉了對(duì)歐洲的GPS服務(wù)。

為打破美國(guó)的壟斷，俄羅斯耗資30多億美元建起了自己的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“格洛納斯”。它能夠精確定位位于空中、水面和陸地的任何目標(biāo)，確定它們的坐標(biāo)，誤差不到１米。在探測(cè)各種目標(biāo)的移動(dòng)速度時(shí)，誤差可不超過(guò)每秒15厘米。當(dāng)該系統(tǒng)的導(dǎo)航衛(wèi)星的總數(shù)達(dá)到24顆時(shí)，其定位、導(dǎo)航范圍可遍及整個(gè)地球。“格洛納斯”也是由軍方負(fù)責(zé)研制和控制的軍民兩用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。盡管其定位精度比GPS和歐洲的“伽利略”略低，但其抗干擾能力卻是最強(qiáng)的。盡管美國(guó)的GPS已被包括俄羅斯在內(nèi)的很多國(guó)家使用，但俄羅斯認(rèn)為，在全球定位和導(dǎo)航這一重要領(lǐng)域不能完全依賴國(guó)外技術(shù)，必須保持技術(shù)的獨(dú)立性。

歐洲的“伽利略”是世界上第一個(gè)基于民用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，完全非軍方控制、管理。它總共將發(fā)射30顆衛(wèi)星，衛(wèi)星高度為24126千米。完全建成并投入使用后，將為歐盟成員國(guó)和中國(guó)的公路、鐵路、空中和海洋運(yùn)輸甚至徒步旅行者提供精度為1米的定位導(dǎo)航服務(wù)；從而打破美國(guó)獨(dú)霸全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的格局。由于“伽利略”系統(tǒng)能和美國(guó)的GPS、俄羅斯的“格洛納斯”實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)內(nèi)的相互合作，將來(lái)任何用戶都可以用一個(gè)多系統(tǒng)接收機(jī)獲得更多的導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)，所以定位的精度將得到極大地提高。

中國(guó)的“北斗”

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施，它綜合了傳統(tǒng)的天文導(dǎo)航定位和地面無(wú)線電導(dǎo)航定位的優(yōu)點(diǎn)，相當(dāng)于一個(gè)設(shè)置在太空的無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)，可帶來(lái)巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。除了與歐盟合作參加“伽利略” 系統(tǒng)的建設(shè)外，我國(guó)還在建設(shè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 “北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2007年2月3日，第四顆北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，由“長(zhǎng)征三號(hào)甲”運(yùn)載火箭成功送入太空；約24分鐘后，星箭分離，衛(wèi)星準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道，至今工作穩(wěn)定、狀態(tài)良好。

我們的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段將由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，將以開(kāi)放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)兩種方式提供服務(wù)。前者在服務(wù)區(qū)內(nèi)免費(fèi)提供定位、測(cè)速和授時(shí)服務(wù)，定位精度為10米，測(cè)速精度每秒0.2米，授時(shí)精度為50納秒；后者是向授權(quán)用戶提供更精確、更有保障的定位、測(cè)速、授時(shí)和通信服務(wù)。

正在建設(shè)中的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，計(jì)劃2008年左右滿足中國(guó)及周邊地區(qū)用戶對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的需求，并逐步擴(kuò)展為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。由于在定位時(shí)需要用戶終端向定位衛(wèi)星發(fā)送定位信號(hào)，用定位信號(hào)到達(dá)定位衛(wèi)星的間隔時(shí)間來(lái)計(jì)算兩者之間的距離，所以我們的“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)是一種“有源定位”系統(tǒng)。而GPS和俄羅斯、歐盟的定位系統(tǒng)都是接收機(jī)被動(dòng)接受信號(hào)的“無(wú)源定位”系統(tǒng)。

安全的保障

我們的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅具備在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)為用戶確定其所在的地理經(jīng)緯度和海拔高度的能力，而且還在定位性能上有所創(chuàng)新；它不僅能使用戶知道自己的所在位置，而且還可以告訴別人自己的位置，這是其他三個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)所不具備的。與此同時(shí)中國(guó)還致力于提高“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容性，以提高衛(wèi)星定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的性能。

盡管我們的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在定位功能等方面，與GPS相比還稍有不及，并且“有源定位”的工作方式也很容易暴露用戶的位置，保密性較差，但是，它正在勘探、測(cè)繪、電信、氣象、水利和交通運(yùn)輸?shù)戎T多領(lǐng)域逐步發(fā)揮重要作用，尤其值得一提的是，它將確保我們?cè)诎l(fā)生戰(zhàn)爭(zhēng)和有特殊用途時(shí)不受GPS的限制，這對(duì)加強(qiáng)我國(guó)的國(guó)防建設(shè)具有極其重要的意義。