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        衛(wèi)星導(dǎo)航定位告訴我
        —— 我在哪里

        2017-08-22 02:50:21
        探索科學(xué) 2017年8期
        關(guān)鍵詞:顆衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)多普勒

        衛(wèi)星導(dǎo)航定位告訴我
        —— 我在哪里

        同學(xué)們是否想過一個(gè)問題,這個(gè)問題是:“我在什么地方?”通常,人們把在什么都不知道的前提下,從一個(gè)熟悉的地方移動(dòng)到另一個(gè)陌生的地方,習(xí)慣地稱為“冒險(xiǎn)的行為”。

        多少個(gè)世紀(jì)以來,人們始終在思索:“我現(xiàn)在在哪里?”“我一會(huì)兒要去哪里?”或許還會(huì)有:“我的食物藏在哪里?”

        很早以前開始的航行

        史前的人類將生活的環(huán)境、走過的路線等用符號標(biāo)刻在樹皮或獸皮上,成為人類已知的最早使用的地圖。人類在新石器時(shí)代晚期就已有了航?;顒?dòng),當(dāng)時(shí)中國大陸制造的一些物品,在我國臺(tái)灣島、大洋洲,以至厄瓜多爾等地均有發(fā)現(xiàn)。殷商與西周時(shí)期,人們除了會(huì)制造船舶之外,也可以制造帆,利用風(fēng)力航行。甲骨文用“凡”通假“帆”字,說明當(dāng)時(shí)的人們已經(jīng)會(huì)使用帆。春秋戰(zhàn)國時(shí)期人們將中國東部外測的不同水域劃分成“北?!保ń癫澈#?、“東?!保ń顸S海)和“南海”(今東海),已了解到大小江河最后都會(huì)流入大海。戰(zhàn)國時(shí)期人們對二十八星宿和一些恒星進(jìn)行定量觀測,白天利用太陽,晚上依靠北極星確定方向。在陸地上使用的“司南”可以隨時(shí)指示行進(jìn)的方向。

        全球船舶AIS數(shù)據(jù)展示——圖片由北京國遙信通科技有限公司提供

        中國在漢代時(shí)期已可以遠(yuǎn)航至印度,把當(dāng)時(shí)的羅馬帝國與中國聯(lián)系起來。東漢應(yīng)勛在《風(fēng)俗通義》中提到:“五月有落梅風(fēng),江淮以為信風(fēng)?!薄奥涿凤L(fēng)”是指梅雨季節(jié)以后出現(xiàn)的東南季風(fēng),可以看出兩漢時(shí)期的人們利用季風(fēng)遠(yuǎn)洋航行。唐代為擴(kuò)大海外貿(mào)易,開辟了海上絲綢之路,船舶曾遠(yuǎn)航到亞丁灣附近,航行者已掌握利用北極星的高度進(jìn)行定位(確定位置)和導(dǎo)航(沿一定的線路從一點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到另一點(diǎn)的方法)。

        最初的航海主要依靠山形水勢和地物為導(dǎo)航標(biāo)志,人們只能在離海岸線不遠(yuǎn)的地方航行,航路受到限制。到了宋朝,借助靈敏的指南針,人們在沒有任何參照物的環(huán)境下也能掌握航路,確定方向。沈括在《夢溪筆談》中介紹了指南針的四種用法:水法,用指南針穿過燈芯草而浮于水面;指法,將指南針擱在指甲上;碗法,將指南針放在碗沿;絲懸法,將獨(dú)股蠶絲用蠟粘于針腰處,在無風(fēng)處懸掛。磁針的制作,已開始采用人工磁化方法。

        現(xiàn)在我們已經(jīng)知道,地球的兩個(gè)磁極和地理的南北極只是非常接近,并不重合。磁針指向的是地球磁極而不是地理的南北極,也就是說磁針指的不是我們通常認(rèn)為的正南、正北方向,而是略有偏差,這個(gè)角度叫磁偏角。又因?yàn)榈厍蚪魄蛐危源裴樦赶虼艠O時(shí)必向下傾斜,和水平方向有一個(gè)夾角,這個(gè)夾角稱為磁傾角。不同地點(diǎn)的磁偏角和磁傾角都不相同。成書于北宋的《武經(jīng)總要》在談到用地磁法制造指南針時(shí),就注意利用了磁傾角。沈括在《夢溪筆談》也談到指南針“常微偏東,不全南也”。

        圖片由北京航天慧海系統(tǒng)仿真科技有限公司提供

        當(dāng)時(shí)人們航海的原則是:“舟師識地理,夜則觀星,晝則觀日,陰晦觀指南針”意思是:航海的人辨別方向,夜晚觀察星星,白天觀察太陽,陰天的時(shí)候就看指南針。說明當(dāng)時(shí)在海上航行時(shí),在見不到日月星辰的日子,人們才會(huì)選擇使用指南針來確定方向。

        后來人們將磁針和方位盤聯(lián)成一體,盤面刻有24個(gè)方向,通過磁針在方位盤的位置確定方位,稱為“羅經(jīng)盤”,或稱“羅盤”。

        在出航時(shí),隨時(shí)用指南針確定船的具體位置,用針標(biāo)記在圖上,待航行結(jié)束后,再用筆記錄,“針路圖”成為當(dāng)時(shí)人們記錄航行線路的方法。

        1405年到1433年,中國最杰出的航海家鄭和率領(lǐng)龐大艦隊(duì)先后七次下西洋,共訪問了30多個(gè)在西太平洋和印度洋的國家和地區(qū),成為世界航海史上的壯舉。

        清代《封舟出洋順風(fēng)針路圖》,現(xiàn)藏于中國國家圖書館,圖以上南下北為制圖準(zhǔn)則,用黃色表示低平的陸地,用藍(lán)色表現(xiàn)聳立的山峰和島嶼,描繪了由福州羅星塔(在今福建馬尾)出航,依次經(jīng)東沙島、雞籠山(今臺(tái)灣基隆港)、釣魚臺(tái)(即釣魚島)、黃尾嶼、赤尾嶼、姑米山等,最終到達(dá)琉球那霸港,并由那霸返回福州的航程。中國先民最早發(fā)現(xiàn)釣魚島列嶼并為之命名。

        知識小鏈接

        瑞典科學(xué)家認(rèn)為,許多動(dòng)物使用天體位置進(jìn)行導(dǎo)航,但屎殼郎是唯一對不同天體進(jìn)行信息采集的動(dòng)物,例如:太陽、月球和恒星的具體位置

        當(dāng)一只屎殼郎在糞球上旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)將天體位置迅速存儲(chǔ)在大腦中。當(dāng)屎殼郎開始滾動(dòng)糞球時(shí),通過匹配大腦存儲(chǔ)記憶和當(dāng)前環(huán)境,能夠成功沿著直線方向行進(jìn)。

        再來說說世界航海史

        在世界航海史上,公元前4世紀(jì)希臘航海家皮忒阿斯駕駛舟船從今天的馬賽出發(fā),由海上到達(dá)易北河口,成為西方最早的海上遠(yuǎn)航。

        公元前280年,埃及的托勒密二世在法羅斯島東端建造了世界上第一座燈塔,高60多米。燈塔在導(dǎo)航中也發(fā)揮著重要的作用,可以引導(dǎo)船舶航行或指示危險(xiǎn)區(qū)(常用來標(biāo)志危險(xiǎn)的海岸、險(xiǎn)要的沙洲或暗礁以及通往港嘴的航道)。

        12世紀(jì),磁羅經(jīng)傳入歐洲后,英國人開爾文將其改進(jìn)成了海軍型磁羅經(jīng)。1420年,葡萄牙人創(chuàng)辦了第一所航海學(xué)校,迪亞士船長于1487年航海到非洲最南端,將該地命名為“好望角”。1492年,意大利航海家哥倫布發(fā)現(xiàn)了美洲大陸。

        哥倫布在一開始遠(yuǎn)航的時(shí)候就準(zhǔn)備了兩本航海日志:一本記錄他估計(jì)的每天行駛的實(shí)際距離,是秘密的;另一本記載的航程比實(shí)際航程小得多,是公開的。這樣做是為了在航期拖延時(shí),船員們不會(huì)失去信心。由于哥倫布總是把航速估計(jì)得過高,后來的研究者認(rèn)為,他這本假的日志似乎更接近當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況。我們可以想像一下,如果哥倫布生活在現(xiàn)在,這個(gè)辦法可能就不好使了,因?yàn)槊恳晃淮瑔T都可以借助先進(jìn)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)搜索到當(dāng)前的具體位置。

        1945 年,英國科幻小說家阿瑟?克拉克(1917—2008)為《無線電世界》寫了一篇《地球外的傳播》,詳細(xì)預(yù)言了可將廣播和電視信號傳播到全世界的遠(yuǎn)程地球同步通信衛(wèi)星系統(tǒng),給人們研制人造地球衛(wèi)星帶來極大的啟發(fā)。

        第一顆人造地球衛(wèi)星

        1957年10月4日,第一顆人造地球衛(wèi)星“斯普特尼克1號”成功發(fā)射,它由鍍鉻合金制成,重83.6千克,外表呈球型,直徑58厘米,在近地軌道上運(yùn)行了92個(gè)晝夜,繞地球飛行1400圈,總航程6000萬千米。人類從此進(jìn)入了利用航天器探索外層空間的新時(shí)代。

        多普勒效應(yīng)

        作為冷戰(zhàn)時(shí)期的對手,美國的科學(xué)家十分關(guān)注,希望通過無線電信號監(jiān)測蘇聯(lián)衛(wèi)星的動(dòng)向。美國有兩位科學(xué)家:數(shù)學(xué)家比爾?蓋伊和物理學(xué)家喬治?威芬巴赫,他們在著名的霍普金斯的應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室里發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象:衛(wèi)星頻率出現(xiàn)了多普勒效應(yīng)。

        多普勒效應(yīng)又是什么

        克里斯琴?約翰?多普勒(Christian Johann Doppler)是奧地利物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家。1842年的一天,多普勒正路過鐵路交叉處,恰逢一列火車從他身旁馳過,他發(fā)現(xiàn)火車從遠(yuǎn)而近時(shí)汽笛聲變響、音調(diào)變尖,而火車從近到遠(yuǎn)時(shí)汽笛聲逐漸變?nèi)?、音調(diào)變低。

        多普勒對這個(gè)物理現(xiàn)象產(chǎn)生了極大興趣,經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),振源與觀測者之間存在相對運(yùn)動(dòng),觀測者聽到的聲音頻率不同于振源頻率,也就是有頻移現(xiàn)象。當(dāng)聲源相對于觀測者在運(yùn)動(dòng)時(shí),觀測者聽到的聲音會(huì)發(fā)生變化。

        當(dāng)聲源離觀測者遠(yuǎn)去時(shí),隨著聲波的波長增加,音調(diào)變得低沉;當(dāng)聲源接近觀測者時(shí),聲波的波長減小,音調(diào)變高。音調(diào)的變化同聲源與觀測者間的相對速度和聲速的比值有關(guān),比值越大,改變越顯著。

        多普勒效應(yīng)也存在于其他類型的波中,例如光波和電磁波。愛德文?哈勃(Edwin Hubble)通過多普勒效應(yīng)得出宇宙正在膨脹的結(jié)論。他發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離銀河系的天體發(fā)射的光線頻率變低,即移向光譜的紅端,稱為紅移,天體離開銀河系的速度越快紅移越大,這說明這些天體在遠(yuǎn)離銀河系。反之,如果天體正移向銀河系,光線則會(huì)發(fā)生藍(lán)移。

        對于電磁波,如果在高度運(yùn)動(dòng)的物體上(例如高鐵)進(jìn)行無線通信,會(huì)出現(xiàn)信號質(zhì)量下降等現(xiàn)象,這也是因?yàn)殡姶挪ù嬖诙嗥绽疹l移現(xiàn)象。

        第一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

        美國的兩位年輕科學(xué)家在接收蘇聯(lián)人造地球衛(wèi)星信號時(shí),發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星相對于地面接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度是變化的,而且會(huì)因兩者的靠近和遠(yuǎn)離,出現(xiàn)頻率升高和降低。根據(jù)多普勒測量結(jié)果,可以確定衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度,計(jì)算出衛(wèi)星與接收設(shè)備(收音機(jī))之間的距離。

        威廉?古伊爾(左)和喬治?維芬巴赫(右)向弗蘭克?麥克盧爾(中)介紹利用多普勒頻移跟蹤蘇聯(lián)人造衛(wèi)星的思路

        當(dāng)兩位科學(xué)家興奮地把這一研究成果告訴了當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)室主任弗蘭克?麥克盧爾時(shí),恰好弗蘭克正在做關(guān)于海軍的一項(xiàng)研究,研究如何讓五角大樓知道美國海軍軍艦在茫茫大海中的具體位置。弗蘭克聽到兩位科學(xué)家的匯報(bào)后眼前一亮:既然可以知道衛(wèi)星在哪里,把問題反過來考慮,通過衛(wèi)星也可以知道海軍軍艦在哪里,定位問題就可以解決了!

        通過地面站測量到人造地球衛(wèi)星信號,得到的多普勒頻移圖形可以確定衛(wèi)星軌道。通過衛(wèi)星軌道,又可以知道地面接收機(jī)的位置。對導(dǎo)航系統(tǒng)有重大需求的美國海軍,需要新的技術(shù)手段精確引導(dǎo)新型潛艇完成地球極區(qū)任務(wù),于是推動(dòng)第一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的誕生。因?yàn)樾l(wèi)星軌道通過地球的兩級,我們在翻譯時(shí)稱為子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用5~6顆衛(wèi)星組成的星網(wǎng)工作,每天最多繞地球13次。

        知識小鏈接

        衛(wèi)星組成“網(wǎng)”工作?

        想要更好地確定自己的位置,或者通過衛(wèi)星為自己導(dǎo)航,最好同時(shí)接收三顆以上衛(wèi)星的信號。人們將天上同時(shí)工作的幾顆衛(wèi)星,與捕魚的“網(wǎng)”聯(lián)想到一起,所以形象地稱為“星網(wǎng)”。

        當(dāng)時(shí),美國海軍在衛(wèi)星進(jìn)入可接收范圍后,潛艇的接收天線需要露出海面,在衛(wèi)星通過的十多分鐘內(nèi)連續(xù)記錄信號,確定水平面內(nèi)兩維的位置,定位精度達(dá)到250米,只是還不能知道自己位置的高度。如果想再次確定位置,需要等上百分鐘后才能有后續(xù)衛(wèi)星通過,并且每次只能見到一顆衛(wèi)星。

        子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為人類服務(wù)了30多年,直到1996年,它被更強(qiáng)大的GPS系統(tǒng)完全替代,才宣告正式退出歷史舞臺(tái)。

        知識小鏈接

        定位與導(dǎo)航的區(qū)別

        定位是指確定某一對象的具體位置,如緯度、經(jīng)度和高度。導(dǎo)航是指引導(dǎo)某一對象,從一點(diǎn)到達(dá)另一點(diǎn)或者說是從一個(gè)地方到達(dá)另一個(gè)地方。

        衛(wèi)星軌道是指繞地球運(yùn)行的軌跡

        從20世紀(jì)60年代開始,在子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,美國又設(shè)想了一種全新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng):定位精度更高、三維定位、每天24小時(shí)、每周7天不停頓地工作,每個(gè)用戶需要4顆或者更多的衛(wèi)星來確定位置。要想滿足這些條件,達(dá)到全球覆蓋能力,必須找出最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的辦法,所以問題又來了:衛(wèi)星該采用低、中、高,哪種軌道更合適呢?

        衛(wèi)星軌道

        在地球表面的衛(wèi)星脫離地球的水平速度叫第一宇宙速度,大致為7.9千米/秒,即環(huán)繞速度。衛(wèi)星只要獲得這一水平方向的速度后,不需要再加動(dòng)力就可以環(huán)繞地球飛行。衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的軌跡叫衛(wèi)星軌道。

        如果采用低軌,發(fā)射成本低,精度也高,這都非常好,可是要想實(shí)現(xiàn)對全球的覆蓋,需要發(fā)射200顆衛(wèi)星。對于剛起步階段,成本有些太高。

        如果采用高軌,理論上說,三顆星就能覆蓋全球,但是,高軌衛(wèi)星的發(fā)射難度太大了,更重要的是定位精度會(huì)很低,不利于使用多普勒頻移的解算方法。

        國際上廣泛采用經(jīng)濟(jì)又實(shí)惠的中軌道辦法,衛(wèi)星覆蓋全球只需要24~36顆衛(wèi)星。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面上,每個(gè)軌道面上有4顆衛(wèi)星,地球上任何一點(diǎn)均能觀測到6~9顆衛(wèi)星。衛(wèi)星可以提供標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(民用)和精密定位服務(wù)(軍用)。

        這么多顆人造衛(wèi)星先后飛上天,共同為人類做事,人們?yōu)樗鼈兤鹆藗€(gè)好聽的名稱∶衛(wèi)星星座。

        圖片由北斗網(wǎng)提供

        全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

        現(xiàn)在,有的衛(wèi)星星座可以覆蓋全球,不僅可以用來導(dǎo)航,同時(shí)具備定位、導(dǎo)航、授時(shí)能力,具有全球覆蓋、全天候、全天時(shí),精度高、連續(xù)性好等特點(diǎn)。原有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的名字已不足以表述它的超凡能力,于是為它起了個(gè)新的名字:全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)。人們對于不能覆蓋全球的星座稱為區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

        目前,全球四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)分別為美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯、中國的北斗、歐洲的伽利略。

        1978年,美國成功發(fā)射第一顆GPS試驗(yàn)衛(wèi)星,開創(chuàng)了無線電導(dǎo)航的新時(shí)代。直到1994年建成信號幾乎覆蓋全球的GPS工作星座,共歷時(shí)16年,耗資約200億美元。GPS星座由24顆衛(wèi)星組成,衛(wèi)星分布在6個(gè)等間隔的軌道面內(nèi),每個(gè)軌道部署4顆衛(wèi)星,最多可達(dá)11顆星。目前美國已開始著手布設(shè)第三代GPS,準(zhǔn)備把精度提高三倍,抗干擾能力提高八倍,衛(wèi)星壽命將延長至15年,將在2020年左右完成GPS衛(wèi)星的全部更新。

        美國第三代導(dǎo)航衛(wèi)星

        在美國研制GPS之后不久,蘇聯(lián)也開始研制自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。1982年,第一顆格洛納斯衛(wèi)星和兩顆試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射升空,但這三顆衛(wèi)星都沒能運(yùn)行,到1984年,作為試驗(yàn)使用的4顆衛(wèi)星才成功運(yùn)行。1996年,俄羅斯將24顆格洛納斯衛(wèi)星部署完畢。但是,格洛納斯系統(tǒng)缺乏足夠的資金支持,而且衛(wèi)星壽命過短,太空中的可用衛(wèi)星數(shù)量逐漸減少,到21世紀(jì)初,只有14顆衛(wèi)星運(yùn)行,整個(gè)星座已經(jīng)不能獨(dú)立完成全球連續(xù)導(dǎo)航任務(wù)。近十年來,俄羅斯出臺(tái)了一系列相關(guān)政策,積極籌措資金,拯救格洛納斯系統(tǒng),到2011年底,在軌的格洛納斯衛(wèi)星達(dá)到了24顆滿星座狀態(tài),使系統(tǒng)全面恢復(fù)工作。

        中國的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星

        中國是繼美、俄之后世界上第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。目前,我國正在加緊建設(shè)北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),計(jì)劃于2020年左右建成,完成35顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng),為全球用戶提供服務(wù)。作為強(qiáng)勁的后發(fā)力量,中國的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí)具備獨(dú)特的短報(bào)文功能。

        我們可以暢想一下,等到了2020年,四大全球?qū)Ш较到y(tǒng)的所有衛(wèi)星全部進(jìn)入軌道并開始正常工作時(shí),天上將有120余顆工作衛(wèi)星,加上星基增強(qiáng)工作衛(wèi)星,導(dǎo)航可利用的衛(wèi)星總數(shù)將超過140顆。

        朔源我國衛(wèi)星發(fā)展歷程

        中國其實(shí)一直有開發(fā)人造衛(wèi)星的愿望和行動(dòng),中國人造衛(wèi)星的歷史可以追溯到1958年,當(dāng)時(shí)提出“兩彈一星”工程中的“一星”,就是指人造衛(wèi)星。那一年,毛澤東主席做出“我們也要搞人造衛(wèi)星”的指示,于是研制人造衛(wèi)星成為1958年的第一號任務(wù),代號“581”工程。1970年4月,中國發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星“東方紅”,其功能是向全世界播放《東方紅》歌曲。

        之后中國一直在研究各種衛(wèi)星,通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星,都是有實(shí)用價(jià)值的。導(dǎo)航系統(tǒng)造價(jià)太高、時(shí)間太長,建國沒多久的中國沒有那么大財(cái)力,所以力不從心。

        中國在20世紀(jì)80年代初,陳芳允院士就提出要做自己的導(dǎo)航衛(wèi)星,用兩顆衛(wèi)星定位(由于只有兩顆衛(wèi)星,所以要知道自身的海拔高度,讓地心當(dāng)?shù)谌w衛(wèi)星,進(jìn)行定位)。

        北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最早的英文明名為COMPASS,意思是“指南針”。衛(wèi)星收發(fā)信號需要占用頻率,去國際電信聯(lián)盟申請頻率就相當(dāng)于開公司要先到工商管理部門申請營業(yè)執(zhí)照。在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成后,正式起名為“北斗”。

        關(guān)于“北斗”系統(tǒng),標(biāo)準(zhǔn)的描述為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),是我國自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行,與國際上其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容共用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí),為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)。

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