導(dǎo)航那些事

主講人 | 徐穎中國科學(xué)院光電研究院研究員、博士光電院導(dǎo)航技術(shù)研究室副主任，科普中國形象大使

大家都看過《魯賓遜漂流記》，如果現(xiàn)在有一個(gè)人獨(dú)自漂流到了孤島上，這個(gè)時(shí)候他有GPS，他就能知道自己在什么位置，但他無法通知?jiǎng)e人，還是只能在荒島上求生。而如果他用的是北斗系統(tǒng)，不僅可以知道自己的位置在哪里，而且還能夠把位置發(fā)送給幾十公里、幾百公里之外的人，很快得到救援。

導(dǎo)航系統(tǒng)與地圖的關(guān)系

今天我們主要聊聊與生活相關(guān)的導(dǎo)航的那些事。

首先要明確的是，導(dǎo)航系統(tǒng)和地圖是兩個(gè)東西。北斗是我國自主建設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，是我國基礎(chǔ)建設(shè)的設(shè)施，而高德地圖和百度地圖等是地圖。

高德公司和百度公司是把導(dǎo)航的定位結(jié)果顯示在地圖上，讓你知道你在地圖上的什么位置，如何去往地圖的另外一個(gè)位置，所以數(shù)據(jù)既可以是GPS也可以是北斗，這一點(diǎn)我們是看不見的，主要取決于我們手機(jī)里面的芯片。

因此地圖不等同于導(dǎo)航，導(dǎo)航是國家的基礎(chǔ)設(shè)施，地圖將導(dǎo)航呈現(xiàn)給所有用戶，使用戶有一種更好的直觀體驗(yàn)。

導(dǎo)航定位的原理

要了解導(dǎo)航在生活中的其它用途，先要知道導(dǎo)航到底是什么。

很多人以為導(dǎo)航是一種能夠指導(dǎo)我們從一個(gè)地方走到另一個(gè)地方的工具。事實(shí)上，導(dǎo)航不只是一個(gè)表面現(xiàn)象，它更是一門復(fù)雜的科學(xué)，除了與衛(wèi)星和電磁波有關(guān)，還與時(shí)間離不開關(guān)系。

衛(wèi)星導(dǎo)航的基本定位原理是一個(gè)三球交匯的定位，確定一個(gè)衛(wèi)星的位置，確定與衛(wèi)星的距離，然后以衛(wèi)星為圓心畫出一個(gè)球面。假設(shè)我在這個(gè)球面上的某一個(gè)點(diǎn)，當(dāng)我要測量我和三個(gè)不同衛(wèi)星不同位置的時(shí)候，畫出三個(gè)球體，三個(gè)球體交匯在一點(diǎn)上，這一點(diǎn)就是我的位置。

這個(gè)過程最重要的是需要測量我和衛(wèi)星之間的距離，通過測量電磁波在空中傳播的時(shí)間來獲得?，F(xiàn)在的導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度能夠達(dá)到厘米級甚至是毫米級，這就意味著在導(dǎo)航系統(tǒng)當(dāng)中一定要把時(shí)間做得非常精準(zhǔn)。

衛(wèi)星導(dǎo)航定位需要多準(zhǔn)，有物理學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們的原子從一個(gè)能級到另一個(gè)能級的時(shí)候帶來的能量是非常穩(wěn)定的。如果我們以這個(gè)頻率作為一個(gè)鐘擺的話，能夠得到非常精準(zhǔn)的時(shí)鐘，這也就是原子鐘的由來。

中國原來沒有原子鐘的技術(shù)，計(jì)劃從瑞士進(jìn)口原子鐘，但是進(jìn)口遭到諸多阻撓，所以決定自主研究，大概花了兩到三年的攻關(guān)時(shí)間解決了中國原子鐘的有無問題。

地圖不等同于導(dǎo)航，導(dǎo)航是國家的基礎(chǔ)設(shè)施，地圖將導(dǎo)航呈現(xiàn)給所有用戶，使用戶有一種更好的直觀體驗(yàn)。

我們最新的原子鐘是天宮二號原子鐘，精度能夠做到幾萬年時(shí)間誤差一秒，這已經(jīng)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平，是典型的因國家需求而推動(dòng)基礎(chǔ)科技進(jìn)步的例子。

導(dǎo)航定位的發(fā)展

我們現(xiàn)在的地圖靠遙感車觀測，對地觀測精度可以達(dá)到厘米級，精度非常高。但古代地圖只能靠手繪，精度非常不準(zhǔn)，再后來的工具，有指南車、指南針和指南龜。再后來有了電，人們開始用無線電來做導(dǎo)航。無線電導(dǎo)航系統(tǒng)最開始不是用衛(wèi)星，而是在地面假設(shè)無線電的基站做導(dǎo)航。電磁波沿著地面進(jìn)行傳播時(shí)會(huì)受到干擾，導(dǎo)致定位精度不高，而且地面覆蓋面積和范圍有限，所以就有了人造地球衛(wèi)星。

我們建設(shè)北斗系統(tǒng)最重要的作用是保障國家領(lǐng)土主權(quán)，包括經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施等等，更重要的是要保證其在我國以及周邊地區(qū)的高精度覆蓋。

中國第一顆人造地球衛(wèi)星叫東方紅。雖然蘇聯(lián)建造了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星，但最早利用人造衛(wèi)星導(dǎo)航的是美國。美國海軍發(fā)現(xiàn)潛艇出去精準(zhǔn)總是達(dá)不到要求，研究后發(fā)現(xiàn)是潛艇自身位置精度不高的原因，所以就有了子午儀。

子午儀由四顆衛(wèi)星系統(tǒng)構(gòu)成，與三星定位的原理不同，它只需要一顆衛(wèi)星就能夠?qū)崿F(xiàn)定位。雖說一顆衛(wèi)星就能實(shí)現(xiàn)定位，但是一顆衛(wèi)星會(huì)導(dǎo)致定位的精準(zhǔn)不夠高，大概是百米開外的量級，需要長時(shí)間的測量才能有足夠的力源進(jìn)行結(jié)算，并且運(yùn)動(dòng)速度不能過快，只能給類似于像蝸牛這樣的用戶進(jìn)行導(dǎo)航和定位。也就是因?yàn)檫@樣的缺點(diǎn)，子午儀系統(tǒng)后來被GPS系統(tǒng)所取代了。

雖然有缺點(diǎn)，但子午儀讓大家看到了衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)，那就是全天候、全天時(shí)，能在任何時(shí)間地點(diǎn)給全世界任何人提供導(dǎo)航定位的信息。美國建好子午儀后，蘇聯(lián)建設(shè)的蟬系統(tǒng)原理與子午儀完全一樣。而蘇聯(lián)剛開始建蟬系統(tǒng)沒多久，美國就開始建設(shè)美國導(dǎo)航史上用戶最多、世界影響力最大的系統(tǒng)——GPS。

GPS從70年代開始建設(shè)，是24顆衛(wèi)星，4X6的軌道面，世界上第一個(gè)全球覆蓋的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。1991年海灣戰(zhàn)爭期間，美國依靠GPS系統(tǒng)，不僅改變了世界格局，還帶來了一場軍事變革，奠定了現(xiàn)代化戰(zhàn)爭以信息為基礎(chǔ)的核心理念，讓制空權(quán)站上戰(zhàn)爭中無與倫比的高度，之后全世界的超級大國都有一個(gè)共識，那就是要有自己的全球覆蓋衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

現(xiàn)在世界上最著名的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)共四個(gè)：美國的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASZ系統(tǒng)、我國的北斗系統(tǒng)和歐盟的伽利略系統(tǒng)。雖然各國都遇到過很多困難，但是沒有哪個(gè)國家想過放棄衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，包括日本、印度，也在建設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航定位，但是還沒辦法做到全球覆蓋。

北斗系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展歷史及應(yīng)用

中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位建設(shè)從1983年開始，專家提出“雙星定位”概念，因?yàn)楫?dāng)時(shí)24顆星一次覆蓋沒有財(cái)力支撐，所以就有了北斗一號系統(tǒng)，這主要解決了我國衛(wèi)星導(dǎo)航定位的有無問題。

北斗一號系統(tǒng)需要用戶先發(fā)起一個(gè)請求，報(bào)告系統(tǒng)我想知道我的位置，然后地面站才會(huì)把位置算出來，將這個(gè)位置再發(fā)送給用戶，這種叫做有源定位，和現(xiàn)在全球系統(tǒng)的無源定位方式不一樣。

北斗一號系統(tǒng)建設(shè)的過程中，我們開始啟動(dòng)了北斗二號系統(tǒng)的建設(shè)。2012年北斗二號系統(tǒng)正式投入運(yùn)行，主要解決我國以及周邊地區(qū)定位服務(wù)的問題。按計(jì)劃，到2020年我國要建成一個(gè)北斗全球系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，能夠和GPS正式兼容操作，走向全球，這就是我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略。

北斗二號系統(tǒng)主要是由35顆衛(wèi)星構(gòu)成，5顆是地球靜止同步公道衛(wèi)星，3顆是小傾斜軌道的衛(wèi)星，27顆是MEO衛(wèi)星，它和北斗一號最大的區(qū)別在于從有源定位變成無源定位?，F(xiàn)在的手機(jī)假設(shè)里面裝載了北斗芯片，想要定位，不需要手機(jī)發(fā)起信號了，直接接受衛(wèi)星下傳下來的信號，就可以知道自己的信息。一方面解決了容量的問題，不再有上行，不再有容量的限制，不再往上發(fā)信號，避免有一種暴露自己位置的風(fēng)險(xiǎn)，這個(gè)是二代和一代的最主要的區(qū)別之一。

我們建設(shè)北斗系統(tǒng)最重要的作用是保障國家領(lǐng)土主權(quán)，包括經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施等等，更重要的是要保證其在我國以及周邊地區(qū)的高精度覆蓋。所以北斗最后采用混合星座的設(shè)計(jì)，MEO衛(wèi)星大概只有30%到50%時(shí)間能夠經(jīng)過上空，小星軌道衛(wèi)星有70%到80%時(shí)間能夠看到它，采用這樣的星座構(gòu)型能夠有更加穩(wěn)定、更好的定位精度。

在生活中北斗系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。比如漁船航運(yùn)中，在南海領(lǐng)域，因?yàn)闆]有建設(shè)基站，漁民的手機(jī)無法通信，漁民出海一個(gè)月，遇上危險(xiǎn)無法和家里人聯(lián)絡(luò)。所以在南海的漁船上大約有70%的比例配備了北斗系統(tǒng)，一方面方便漁民能夠給家里人發(fā)短信，另一方面漁民能知道自己的位置信息，如果遇上危險(xiǎn)也能夠及時(shí)把位置信息發(fā)送給海警，確保自身生命和財(cái)產(chǎn)的安全。

比如精準(zhǔn)授時(shí)，北斗系統(tǒng)時(shí)鐘精度非常高。電力系統(tǒng)中，需要把時(shí)間做得很準(zhǔn)，從而保證各個(gè)電力能夠錯(cuò)峰，不至于出現(xiàn)燒壞系統(tǒng)的情況。金融系統(tǒng)要在同一個(gè)時(shí)刻結(jié)算，如果結(jié)算時(shí)間差之毫秒，就可能會(huì)導(dǎo)致最后的結(jié)算金額差之幾千萬美元，所以金融系統(tǒng)也要求時(shí)間非常精準(zhǔn)。

此外，北斗系統(tǒng)在地震、泥石流、天氣監(jiān)測、智能駕考、森林救火、智能農(nóng)業(yè)、動(dòng)物保護(hù)、老少關(guān)愛等方面都有應(yīng)用。

本文系徐穎在杭州市科協(xié)、杭州市科技工作者服務(wù)中心、《杭州》雜志社聯(lián)合主辦的第115期“杭州科學(xué)大講堂”上的演講，文中觀點(diǎn)不代表本刊立場