晓谈

　　2003年5月25日，我国在西昌卫星发射中心用长征－3A运载火箭，成功地将第3颗“北斗”导航定位卫星送入太空。这标志着我国已自主建立了完善的卫星导航系统，对我国国民经济建设将起到积极作用。

　　导航定位自古以来就成为人类生产、生活中不可缺少的一项技术。千百年来，人类在生产和生活实践中发明了多种导航方法。例如，天文导航，它是通过观测天体的位置来确定自身的位置和航向，此法设备简单，但受到气象条件的限制；无线电导航是靠接收海岸电台发出的无线电波来确定舰船自身的位置，它虽不受气象条件的影响，但由于无线电波的传播距离有限，故用于远航时有困难。

　　其它导航方法也都不十分尽如人意。从目前的技术水平和可以预见的将来看，卫星导航将作为一种比较理想的导航方式长期存在。卫星导航的实质是把无线电导航台搬到太空上去，由于卫星居高临下，因而能克服地面无线电导航台的先天不足，不受地形、距离的限制，且导航精度也比较高。

　　卫星导航发端

　　1958年美国海军开始研制名叫“子午仪”的多普勒卫星导航系统，它又称海军卫星导航系统。1960年4月13日发射成功世界第1颗卫星导航卫星子午仪－1B，开创了人类导航技术的新纪元。

　　其实，人类是在一次偶然事件中发现可以利用卫星进行导航的。1957年，美国两位科学家在跟踪苏联的第一颗卫星时无意中发现，他们收到的无线电信号有多普勒频移效应，即卫星在飞近地面接收机时收到的无线电频率逐渐增高，飞远时则逐渐降低。科学家对这种现象认真研究后产生灵感，卫星的轨道可由地面站测得的多普勒频移曲线确定，若知道卫星的精确轨道，不就能确定地面接收机的位置了吗？从此，一种先进的导航技术——卫星导航悄然兴起。

　　“子午仪”导航卫星星座由轨道面均匀分开的4～5颗“子午仪”卫星组成，可使全球任何地方的导航用户在平均每隔1.5小时左右利用卫星定位一次。其主要功用是：为核潜艇和各类海面舰船等提供高精度断续的二维定位，用于海上石油勘探和海洋调查定位、陆地用户定位和大地测量等。从1960年4月到20世纪80年代初，美国共发射30多颗“子午仪”。

　　“子午仪”卫星也存在一些先天不足，例如，不能连续实时导航；只能提供二维坐标（经度和纬度）；无法给出飞机的高度和速度信息；用户须等卫星飞经头顶时才能定位，且每次定位需十几分钟，因而对高速移动物体测量误差较大等。

　　自“子午仪”后，美国又开始研制采用时间测距卫星导航方式的第2代导航卫星——“全球定位系统”，即GPS。俄罗斯自行开发了与GPS系统原理、功能十分类似的GLONASS系统。欧洲空间局也正在研制名为“伽利略”的系统。此外，日本也打算建立区域性的卫星导航定位系统。

　　国际先进导航卫星系统

　　卫星导航老大：GPS

　　GPS是美国国防部开发的星基全球无线电导航系统，它可为全球范围内的飞机、舰船、地面部队、车辆、低轨道航天器，提供全天候、连续、实时、高精度的三维位置、三维速度以及时间数据。

　　第1颗GPS卫星于1978年10月6日发射，1993年12月完成24颗卫星组网，1995 年4月27日达到完全运行能力。GPS卫星现发展了两代3种型号，现在轨道运行的为第2代的两种型号——GPS－2A和2R，卫星寿命约7.5年。

　　GPS被誉为是继“阿波罗”登月和航天飞机之后的又一重大航天科技成就。该系统为军民两用系统，供民用用户使用的标准定位服务精度前些年为100米，而军用定位精度为10米。为了加强其在全球导航市场的竞争力，美国政府已于2000年5月1日午夜撤销对GPS的SA干扰技术，使军、民用定位精度一样，都为10米。

　　GPS系统本质上是军用系统，优先为军方服务。从1991年的海湾战争开始到现在，美国的一切军事行动几乎都与卫星定位系统有关：GPS接收机装备至每一个参战单位甚至个人；被击落的F－117A隐身飞机的飞行员利用GPS迅速把自己的准确位置信息发送出去，从而被迅速营救；地空导弹、巡航导弹采用GPS精确制导后，精确打击能力大大提高，由过去摧毁一个目标需要几架次的打击，提高到现在一架次就能摧毁几个目标。

　　大同小异的GLONASS

　　1995年俄罗斯耗资30多亿美元，完成了GLONASS导航卫星星座的组网工作。它也由24颗卫星组成，原理和方案都与GPS类似。GLONASS一开始就没有加SA干扰，所以其民用精度优于加SA的GPS。不过，其应用普及情况则远不及GPS，这主要是俄罗斯没有开发民用市场。另外，GLONASS卫星平均在轨道上的寿命较短，且由于经济困难无力补网，在轨可用卫星少，不能独立组网。

　　2003年的伊拉克战争对俄罗斯产生了相当大的震动，迫使俄罗斯领导层再次对太空的军事用途重视起来。近日，俄罗斯空间系统科学研究所所长孟什可夫对记者说，3年前GLONASS经历了最糟糕的时期，当时只有8到10颗卫星在工作，而要该系统发挥完全的作用，需要有24颗卫星。现在只有12颗卫星处于工作状态，但是要使该系统具有军用价值，在轨道上至少要有18颗星。俄罗斯航天的老大难问题就是经费不足。为此，俄罗斯航宇局正试图吸引外资。按航宇局局长科普捷夫的说法，俄罗斯正在和包括中国在内的国家和组织进行商谈来共同恢复GLONASS，希望到2011年该系统将完全恢复。

　　中国“北斗” 别开生面

　　虽然美国GPS系统已经在全世界广泛应用，但该系统绝非完美无缺。例如，其规模太大、造价太高，其他国家很难效仿，俄罗斯和欧洲空间局就是典型的例子；GPS只能导航，无法通信，因而不能满足日益增长的用户需求；作为一个国家来讲，如果完全依赖GPS，则容易受美国控制。那么，有没有解决这些问题的新方法呢？中国的“北斗”开辟了一条新途径。

　　双星定位

　　“北斗”导航卫星系统是1种全天候、全天时提供卫星导航信息的区域性导航系统。它是通过双星定位方式来工作的。该系统由2颗经度上相距60度的地球静止卫星对用户双向测距，由1个配有电子高程图的地面中心站定位，另有几十个分布于全国的参考标校站和大量用户机。它的定位原理是：以2颗卫星的已知坐标为圆心，各以测定的本星至用户机距离为半径，形成2个球面，用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。电子高程地图提供的是一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。求解圆弧线与地球表面交点即可获得用户位置。

　　虽然这个原理是美国吉奥星公司发明的，但美国和欧洲的公司在这方面的研制工作均失败和破产了，而中国首先实现了这项卫星导航定位的创新工程。

　　意义重大

　　“北斗”导航定位卫星工程投资少，并将导航定位，双向数据通信和精密授时结合在一起，因而有独特的优越性。最重要的是，它的研制成功解决了中国自主卫星导航定位系统的有无问题。

　　前两颗“北斗”卫星是2000年10月31日和12月21日分别发射升空的，运行至今，导航定位系统工作稳定，状态良好，产生了显著效益，尤其适合于同时需要导航与移动数据通信的场所，例如交通运输、调度指挥、有关地理信息系统的实时查询等，进一步促进中国导航应用市场的快速发展，刺激大批量用户机的迫切需求。

　　这次发射的第3颗“北斗”导航定位卫星是“北斗”导航定位系统的备份星。它与前两颗“北斗”工作星组成了完整的卫星导航定位系统，可确保全天候、全天时提供卫星导航信息。

　　目前，世界上只有美国、俄罗斯和我国3个国家能够自主研制生产卫星导航系统。我国自行研制生产的“北斗”卫星导航定位系统主要用于国家经济建设，为我国的交通运输、气象、石油、海洋、森林防火、灾害预报、通信、公安以及其他特殊行业提供高效的导航定位服务，应用前景十分广阔。

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