（專家：余宜珂，中(zhong)(zhong)國(guo)科學(xue)院國(guo)家天文(wen)臺、華中(zhong)(zhong)科技大學(xue)博士，科普中(zhong)(zhong)國(guo)微平臺原創(chuang)首發）

科(ke)學(xue)家(jia)對敵方衛(wei)星的(de)(de)跟蹤研究開啟(qi)了人(ren)類探索未知地球的(de)(de)新篇章(zhang)——衛(wei)星導航。六十年(nian)風(feng)云變(bian)幻，各國政(zheng)治(zhi)、軍事、科(ke)技力量爭相競逐，以GPS、北斗、格洛納斯、伽利略為代表(biao)的(de)(de)衛(wei)星定位(wei)系(xi)統各顯(xian)神通(tong)，而(er)以CAPS為代表(biao)的(de)(de)新興(xing)系(xi)統亦為這個家(jia)族增添(tian)了智慧的(de)(de)血液。無(wu)邊(bian)的(de)(de)大海、無(wu)垠的(de)(de)沙漠之于人(ren)類不再是浩瀚無(wu)邊(bian)的(de)(de)迷宮，精(jing)準打(da)擊、無(wu)人(ren)駕駛，這些一個世紀前的(de)(de)科(ke)幻故事在衛(wei)星定位(wei)系(xi)統的(de)(de)幫助下成為人(ren)類活(huo)生生的(de)(de)現實……衛(wei)星定位(wei)，蒼天有眼！

圖片來(lai)源網絡(luo)

衛星定位緣起及原理

1957年美國約翰霍普(pu)金(jin)斯大學科學家William和Gorge在對蘇聯(lian)衛星(xing)(xing)進行跟蹤研(yan)究時發現(xian)了(le)這(zhe)樣一個現(xian)象，那就(jiu)是(shi)這(zhe)顆(ke)衛星(xing)(xing)的頻(pin)率出(chu)現(xian)了(le)偏移，經研(yan)究發現(xian)是(shi)相對運動引起的多普(pu)勒頻(pin)移效應(ying)。

威(wei)廉和喬治發現，如果在地面上架設多(duo)部(bu)接(jie)收(shou)機，就可以(yi)根據接(jie)收(shou)到的(de)信號的(de)不同頻(pin)差推算出(chu)這個(ge)衛(wei)星的(de)具體位置，他們(men)很高興地把這個(ge)研究成果告訴了實驗室主任弗蘭克，說他們(men)已經實現了對(dui)蘇聯衛(wei)星的(de)多(duo)普勒(le)定位跟蹤。

弗蘭(lan)克(ke)教授當時在(zai)做海軍的一(yi)(yi)項研(yan)究，研(yan)究內容是(shi)五角大樓如何知道茫茫大海中軍艦(jian)的具體位置(zhi)，聽到兩位科學家的匯報后他(ta)眼前一(yi)(yi)亮，既然(ran)你們能夠發現衛星在(zai)哪(na)(na)里，如果把問題反過來，衛星就能發現你們在(zai)哪(na)(na)里，海軍軍艦(jian)定(ding)位的問題迎(ying)刃而解，GPS（Global Positioning System，全球(qiu)定(ding)位系統）系統就此(ci)啟動(dong)！

理(li)論上，一束電波(bo)從A點(dian)(dian)射(she)向B點(dian)(dian)，用(yong)(yong)時t秒，假設(she)光速(su)為c，則t與c之積t*c便是A、B兩點(dian)(dian)間的距離，沒錯，這(zhe)(zhe)就是衛星定(ding)(ding)位的基本(ben)原理(li)。然而實際(ji)中，由(you)于大氣密度(du)不均、電離層干擾等(deng)原因(yin)，使得單點(dian)(dian)定(ding)(ding)位往(wang)往(wang)存(cun)在(zai)較大的誤差(cha)(cha)，所以在(zai)工程實際(ji)中，人們通常用(yong)(yong)多顆(ke)衛星發射(she)信號，對(dui)一點(dian)(dian)進行定(ding)(ding)位測量(liang)，這(zhe)(zhe)樣(yang)做的目(mu)的在(zai)于通過構建(jian)方程組消除誤差(cha)(cha)。

衛星定位系統的應用

首先，衛(wei)(wei)星定位(wei)(wei)系(xi)統最直接(jie)的(de)作用在(zai)于(yu)測量，即測量地(di)球上任(ren)意一點的(de)經緯(wei)度，故而定位(wei)(wei)、導航(hang)則是其首要用途。人們在(zai)野外探測、航(hang)海中，衛(wei)(wei)星定位(wei)(wei)系(xi)統相對(dui)于(yu)指南針羅盤，定位(wei)(wei)效果(guo)更精(jing)(jing)確(que)可(ke)靠，例如發生(sheng)海難時(shi)(shi)，救援船只(zhi)可(ke)以通過衛(wei)(wei)星定位(wei)(wei)系(xi)統提供(gong)的(de)精(jing)(jing)確(que)的(de)經緯(wei)數據找到(dao)遇險船只(zhi)。同時(shi)(shi)，精(jing)(jing)確(que)的(de)定位(wei)(wei)給了現代(dai)軍事以針對(dui)目(mu)標精(jing)(jing)確(que)打(da)擊(ji)(ji)的(de)可(ke)能性，2004年，以色列先后采用精(jing)(jing)確(que)打(da)擊(ji)(ji)技(ji)術消滅了哈馬斯連續兩任(ren)精(jing)(jing)神領袖——亞辛和蘭提斯，精(jing)(jing)確(que)打(da)擊(ji)(ji)技(ji)術使得戰爭對(dui)目(mu)標以外的(de)物體所造成的(de)傷害最小化。

其次，授時(shi)(shi)，即提(ti)(ti)供精(jing)確(que)時(shi)(shi)間(jian)，亦是衛(wei)星(xing)定位(wei)系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)重(zhong)要應用，原(yuan)因(yin)在(zai)于導航(hang)衛(wei)星(xing)內(nei)部的(de)(de)(de)高(gao)精(jing)度(du)原(yuan)子(zi)(zi)鐘(zhong)，這種原(yuan)子(zi)(zi)鐘(zhong)可以(yi)精(jing)確(que)到什么水(shui)平呢？現有GPS導航(hang)衛(wei)星(xing)的(de)(de)(de)銫原(yuan)子(zi)(zi)鐘(zhong)能把8000萬(wan)年(nian)的(de)(de)(de)誤差(cha)控制(zhi)在(zai)1秒內(nei)！高(gao)精(jing)度(du)的(de)(de)(de)時(shi)(shi)間(jian)服務為金融系(xi)統(tong)、電(dian)力系(xi)統(tong)、以(yi)及(ji)軍事(shi)提(ti)(ti)供了有效(xiao)保障。

 

圖片來源網絡

四足鼎立的格局

從(cong)威廉、喬治以(yi)及弗蘭克的靈光閃現到今(jin)天(tian)，人類衛星導航發(fa)展到今(jin)天(tian)已有(you)整(zheng)整(zheng)六(liu)十載，除有(you)效服務(wu)民用之(zhi)外，其軍(jun)事(shi)、以(yi)及國家戰(zhan)略價值更是使(shi)得(de)衛星定位系統成為主要國家布局之(zhi)重器。

目前，除美國的GPS之外，歐洲的伽利略(lve)系(xi)統，俄羅斯(si)的格洛納斯(si)系(xi)統，以及中國的北斗系(xi)統亦(yi)扮演者舉足輕重的作(zuo)用，衛(wei)星定(ding)位領域四巨(ju)頭鼎立(li)格局基本形成。

值得一提的(de)是，從2000年(nian)第一顆(ke)衛星發(fa)射(she)至今，中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)已(yi)發(fa)射(she)23顆(ke)北(bei)斗(dou)衛星。服務(wu)(wu)領域涵蓋交(jiao)通、海運、氣象等(deng)民用及軍事領域，同時(shi)相比其他三大系(xi)(xi)(xi)統(tong)，北(bei)斗(dou)在段報文通信、定位等(deng)方(fang)面優勢(shi)顯著。目前，系(xi)(xi)(xi)統(tong)服務(wu)(wu)范(fan)圍(wei)已(yi)延(yan)伸至東南(nan)亞，隨著系(xi)(xi)(xi)統(tong)的(de)不斷(duan)完(wan)善以及中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)“一帶一路”戰略的(de)實施(shi)，相信北(bei)斗(dou)系(xi)(xi)(xi)統(tong)將(jiang)會在更大范(fan)圍(wei)承載中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)的(de)大國(guo)影響力(li)。

CAPS——天文學家(jia)的神(shen)來之筆

2002年的初冬，一道靈光(guang)打(da)(da)破了著(zhu)名太陽物理(li)學(xue)家、時任中(zhong)國科學(xue)院國家天文臺臺長(chang)艾國祥院士原本按部就班(ban)的工作：如果能利用太空(kong)退役(yi)衛星的轉發器作為一面(mian)“鏡子”，從地面(mian)發射電波信號，則同樣能實現對(dui)地面(mian)坐(zuo)標的定位導航！而同時被這(zhe)道靈光(guang)打(da)(da)破的是(shi)此后世界衛星定位系(xi)統(tong)的格局，CAPS（中(zhong)國區域衛星定位系(xi)統(tong)）應(ying)運而生。

CAPS系統的(de)創新之(zhi)處(chu)在于“雙重節約(yue)”：第一，人類既能避(bi)免單獨發射(she)成本高昂導(dao)(dao)航(hang)衛星，又能實現導(dao)(dao)航(hang)信號的(de)發射(she)；第二，退役通信衛星以導(dao)(dao)航(hang)衛星的(de)身份繼續服役，是“廢(fei)物(wu)再(zai)利用”，亦節省(sheng)了至為寶貴(gui)的(de)空間軌道(dao)資源。

十多年(nian)的(de)(de)發展至今，在艾國(guo)(guo)祥院士以及(ji)其他中國(guo)(guo)天文(wen)(wen)學家的(de)(de)共同努力下(xia)，CAPS系統(tong)已經做到了對中國(guo)(guo)區域(yu)的(de)(de)全境覆(fu)蓋，同時(shi)亦(yi)不斷將覆(fu)蓋面積向外延(yan)伸，該系統(tong)目(mu)前作為中國(guo)(guo)衛(wei)星定位(wei)(wei)系統(tong)的(de)(de)重(zhong)要組成(cheng)部分，在軍事科(ke)技(ji)領(ling)域(yu)發揮著重(zhong)要作用。更為重(zhong)要的(de)(de)是(shi)，這個天文(wen)(wen)學家的(de)(de)神來(lai)(lai)之筆給了衛(wei)星定位(wei)(wei)領(ling)域(yu)一(yi)個全新的(de)(de)靈感(gan)，未來(lai)(lai)衛(wei)星定位(wei)(wei)系統(tong)的(de)(de)成(cheng)本或(huo)將極(ji)大(da)降低，同時(shi)珍貴的(de)(de)太空資源或(huo)將進(jin)一(yi)步得(de)到充分利用。

展望未來

六十(shi)年風云變幻(huan)，幾代精(jing)英前赴后繼(ji)，科學(xue)家的(de)(de)(de)(de)(de)靈感已然凝結成浩瀚的(de)(de)(de)(de)(de)系(xi)(xi)統(tong)(tong)，服(fu)務(wu)于(yu)(yu)普(pu)通(tong)人的(de)(de)(de)(de)(de)生活(huo)，例如我(wo)們(men)使用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)百度地圖等(deng)位置服(fu)務(wu)應用(yong)便(bian)是基于(yu)(yu)衛星定位。而(er)從產(chan)業(ye)的(de)(de)(de)(de)(de)角(jiao)度，單北斗(dou)一(yi)個(ge)系(xi)(xi)統(tong)(tong)，到2020年產(chan)值(zhi)便(bian)可突破4000億人民(min)幣。更優(you)良的(de)(de)(de)(de)(de)位置服(fu)務(wu)、多系(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)融合、與人工智(zhi)能的(de)(de)(de)(de)(de)結合將是未來衛星定位系(xi)(xi)統(tong)(tong)等(deng)發(fa)展方向(xiang)，同時，系(xi)(xi)統(tong)(tong)應用(yong)將向(xiang)農(nong)業(ye)、金融等(deng)領域進(jin)(jin)一(yi)步(bu)拓寬。此外(wai)，以CAPS為(wei)代表的(de)(de)(de)(de)(de)新興(xing)系(xi)(xi)統(tong)(tong)將為(wei)這個(ge)高大上的(de)(de)(de)(de)(de)領域帶來進(jin)(jin)一(yi)步(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)成本降低，使得衛星定位技術真正親(qin)民(min)的(de)(de)(de)(de)(de)服(fu)務(wu)于(yu)(yu)民(min)！

 

編輯：趙翠  魯凡(fan)英