文|馬 迪
為什么人類(lèi)需要如此多的衛(wèi)星?這是個(gè)既科學(xué)又政治的問(wèn)題。
地圖,不管是紙質(zhì)的還是電子化的,都在我們的生活中扮演著非常重要的角色。尤其是擁有了GPS與智能移動(dòng)設(shè)備的雙重加持之后,即使是在陌生的城市里,我們也很少會(huì)迷路了。
方向和距離是繪制地圖最核心的要素。古代的人們靠指南針、司南、天體方位、樹(shù)木年輪、枝葉長(zhǎng)勢(shì)等等分辨方向;靠步數(shù)、交通工具的計(jì)數(shù)來(lái)計(jì)算距離。中國(guó)古代還發(fā)明過(guò)一種叫做“記里鼓車(chē)”的器械,可以通過(guò)里面的一套齒輪系統(tǒng)記錄行駛的里程,是名副其實(shí)的“計(jì)程車(chē)”。這種純靠人力(有時(shí)輔以馬力)的地圖,只要肯下功夫、精細(xì)測(cè)量,就可以得到小范圍的精細(xì)地圖。
當(dāng)人們開(kāi)始意識(shí)到地球是球形的,以托勒密為代表的古代科學(xué)家不僅著手計(jì)算地球的半徑和周長(zhǎng),還開(kāi)始使用經(jīng)緯度來(lái)確定坐標(biāo),地球上任意一個(gè)平面上的點(diǎn)都可以用一組經(jīng)緯度來(lái)表示。有了這套系統(tǒng)的輔佐,地圖變得更加準(zhǔn)確和精致,達(dá)到了前航天時(shí)代的高峰。
再后來(lái),傳統(tǒng)的繪制方法終于被人造衛(wèi)星替代。1957年10月4日,蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一顆人造衛(wèi)星,開(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)的空間世紀(jì)。美國(guó)不甘落后,也于1958年發(fā)射了第一顆衛(wèi)星。人們將衛(wèi)星照片與地圖結(jié)合,誕生了歷史上第一張衛(wèi)星地圖。
經(jīng)過(guò)20多年的排星布陣,2020年6月23日,中國(guó)西昌衛(wèi)星發(fā)射中心,長(zhǎng)征火箭搭載著最后一顆北斗組網(wǎng)衛(wèi)星成功升空,隨后到達(dá)距離地表約36000千米的軌道,開(kāi)始穩(wěn)定運(yùn)行。至此,中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全面建成。
這是一個(gè)龐大的工程,堪稱(chēng)“天羅地網(wǎng)”:8萬(wàn)多名工作人員、300多家研發(fā)單位、前后奮戰(zhàn)20多年,送入太空中的46顆導(dǎo)航衛(wèi)星晝夜不停地環(huán)繞在地球周?chē)?,地面?700多個(gè)基準(zhǔn)站分布于大江南北。建成后的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)與美國(guó)的全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)(GLONASS)、歐盟的伽利略系統(tǒng)(Galileo)并稱(chēng)全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)。
為什么人類(lèi)需要如此多的衛(wèi)星?這是個(gè)既科學(xué)又政治的問(wèn)題。
要想獲取我們?cè)诘厍蛏系臏?zhǔn)確位置,需要在太空中布置至少3顆導(dǎo)航衛(wèi)星,這就是“三球交會(huì)定位原理”。衛(wèi)星從空中向地面發(fā)射電磁波信號(hào),地面上的人利用導(dǎo)航設(shè)備接收信號(hào),這樣一發(fā)一收之間產(chǎn)生的時(shí)間差再乘以電磁波的傳播速率(光速),便可以計(jì)算出我們與衛(wèi)星的距離。當(dāng)只有1顆導(dǎo)航衛(wèi)星時(shí),我們與衛(wèi)星的距離為半徑得到一個(gè)球面,球面上的任何一點(diǎn)都可能是我們的位置。若有2顆導(dǎo)航衛(wèi)星,兩個(gè)球面相交得到一個(gè)圓周,圓周上任何一點(diǎn)都可能是我們的位置。若有3顆導(dǎo)航衛(wèi)星,三個(gè)球面相交得到A、B兩個(gè)點(diǎn),兩點(diǎn)中任何一點(diǎn)也都可能是我們的位置。而兩點(diǎn)之中,僅有B點(diǎn)位于地表附近,于是便鎖定了我們唯一的位置。
在實(shí)際測(cè)量中會(huì)產(chǎn)生各種誤差,往往還需要第4顆衛(wèi)星的輔助。同時(shí)為了保證我們隨時(shí)隨地都能接收到4顆以上的導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào),環(huán)繞地球的衛(wèi)星總數(shù)往往遠(yuǎn)高于4顆。例如美國(guó)GPS和俄羅斯GLONASS系統(tǒng),衛(wèi)星數(shù)量都在24顆以上。經(jīng)此修正和處理之后,整個(gè)系統(tǒng)的誤差一再減小,精度持續(xù)增加,可以是米級(jí)、分米級(jí)、厘米級(jí)……
自2010年起,西昌衛(wèi)星發(fā)射中心變得非常熱鬧。在不到3年的時(shí)間里,有14顆導(dǎo)航衛(wèi)星從這里陸續(xù)發(fā)射升空。2010年發(fā)射5顆,2011年發(fā)射3顆,2012年發(fā)射6顆……同時(shí),運(yùn)算和控制等地面配套系統(tǒng)也鋪展開(kāi)來(lái),衛(wèi)星與地面的調(diào)整測(cè)試也在同步進(jìn)行,一箭雙星的發(fā)射技術(shù)逐漸“爐火純青”。2017年底發(fā)射1箭2星,2018年發(fā)射9箭17星,2019年發(fā)射6箭8星,2020年發(fā)射3箭3星……不到3年時(shí)間,30顆衛(wèi)星以前所未有的速率發(fā)射升空,完成組網(wǎng)。
過(guò)去幾年,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)如何改變了我們的生活?你是否發(fā)現(xiàn),你在手機(jī)上可以精準(zhǔn)地找到附近的共享單車(chē),了解外賣(mài)騎手的位置、公車(chē)距離自己還有幾站……其實(shí)在看不見(jiàn)的地方,北斗可以精確到閱兵方陣中各型裝備方隊(duì)等速行進(jìn),各個(gè)飛行梯隊(duì)距離誤差在正負(fù)10厘米以?xún)?nèi);可以精確到監(jiān)測(cè)大壩、大橋等工程的外觀(guān)變形;可以裝備到各種運(yùn)輸工具上(目前有超過(guò)650萬(wàn)輛營(yíng)運(yùn)車(chē)輛、4萬(wàn)輛郵政和快遞車(chē)輛、3200多座內(nèi)河導(dǎo)航設(shè)施、2900余座海上導(dǎo)航設(shè)施均已裝備北斗系統(tǒng),成為全球最大的營(yíng)運(yùn)車(chē)輛動(dòng)態(tài)監(jiān)管系統(tǒng));甚至在空氣中,行蹤不定的污染物被納入環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng),從此將逃不過(guò)北斗的“慧眼”。
北斗系統(tǒng)的成功建立,不僅可以產(chǎn)生顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益,影響世界通訊衛(wèi)星系統(tǒng)市場(chǎng)與5G技術(shù)加速融合。未來(lái),北斗系統(tǒng)將向全世界開(kāi)放,也會(huì)成為70多億人生活的一部分。