我們的“北斗”

從“子午儀”到GPS

GPS的中文名字叫“全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)”。它的前身是美國海軍1964年研制的“子午儀”導航衛(wèi)星?！白游鐑x”最重要的功能是為北極星核導彈提供精確的定位，以便準確實施核打擊。同時也用于為核潛艇和水面艦艇導航，兼做大地測量?！白游鐑x”是人類建立的第一個衛(wèi)星導航系統(tǒng)，它為現(xiàn)在的GPS奠定了堅實的基礎。

為了解決“子午儀”存在的眾多問題，美國從1973年開始開發(fā)新的衛(wèi)星導航系統(tǒng)GPS，到1993年全部建成并投入使用，總共耗資300多億美元。GPS系統(tǒng)包括三大部分：地面控制中心、導航衛(wèi)星和GPS接收裝置。負責全權控制的主控制站在美國科羅拉多，另外，三個地面天線和五個監(jiān)測站則分布在全球各地。GPS共有27顆導航衛(wèi)星，其中正在使用的24顆，備用的3顆。

由于增加了衛(wèi)星數(shù)量，使用了最新的計時工具，GPS不僅解決了“子午儀”不能提供海拔高度數(shù)據(jù)的缺陷，而且定位的精度大為提高。但它針對軍用和民用提供了不同的定位精度：軍用為3米，甚至可達到1米。由于對民用信號增加了干擾機制，使精度下降到100米；2005年，又取消了這一干擾機制，使民用信號的定位精度提高到了5米，推動了GPS的普及。

我在哪兒

GPS是怎樣確定接收器在地球上的位置的呢？首先，假定我們已經(jīng)知道某一個GPS衛(wèi)星的位置，而且又能準確測定你所在的地點A到該衛(wèi)星之間的距離，那么，A點一定位于以衛(wèi)星為中心、所測得的距離為半徑的圓球上。如果又測得A點至另一衛(wèi)星的距離，則A點一定處在前后兩個圓球相交的圓環(huán)上。更進一步，還可測得A點與第三個衛(wèi)星的距離，這樣A點只能是在三個圓球相交的兩個點上。通過GPS內置的邏輯系統(tǒng)，可以很容易排除其中一個不合理的位置。為了萬無一失，GPS通常會測量A點到第4顆衛(wèi)星的距離，于是，4個虛擬圓球相交的點就是你所處的精確位置了。

顯然，GPS定位需要的第一個重要條件，是要確定衛(wèi)星的準確位置。為此，需要不間斷地監(jiān)測衛(wèi)星的運行狀態(tài)，適時發(fā)送控制指令，使衛(wèi)星保持正確的運行軌道，并將正確的運行軌跡編成類似火車時刻表的“星歷”注入衛(wèi)星，再由衛(wèi)星發(fā)送給GPS接收機。于是，你的接收器就能確定衛(wèi)星的準確位置了。第二個重要條件，是要準確測定從衛(wèi)星到你所在地點的距離。根據(jù)最簡單的物理公式，只要知道衛(wèi)星發(fā)射的導航信號到達接收器的間隔時間，再乘以光的傳播速度，就可以確定從導航衛(wèi)星到你所在處的距離了。為此，每顆導航衛(wèi)星上都裝有十分精密的原子鐘，并由監(jiān)測站經(jīng)常進行校準。衛(wèi)星發(fā)送導航信息的同時，也發(fā)送精確的時間信息，使GPS接收器的時間與自身的時鐘嚴格同步。

假如你在夜間迷了路，怎么也回不了家，突然想起自己還帶著GPS接收機，于是慌亂中啟動了GPS導航，系統(tǒng)開始自動尋找可用的GPS衛(wèi)星。假如你的運氣不錯，有4顆衛(wèi)星能用而且信號清晰，于是，GPS先算出4顆衛(wèi)星離你的距離，再通過“衛(wèi)星運行時刻表”知道了這4顆衛(wèi)星的精確位置，然后，通過對比內置地圖，確定你所在的位置。然后，一個甜美的聲音告訴你：“正前方300米右拐就是你的家！”

打破壟斷

在相當長的一段時間內，美國壟斷了全球軍用和民用衛(wèi)星導航市場。不僅經(jīng)濟上收獲頗豐，而且軍事上優(yōu)勢巨大。1991年，GPS在海灣戰(zhàn)爭中首次得到實戰(zhàn)應用。隨后，在科索沃戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭和伊拉克戰(zhàn)爭中大顯身手。更為嚴重的是，長期以來美國對本國軍方提供的是精確定位信號，對其他用戶提供的則是加了干擾的低精度信號。這意味著地球上任何一個目標的準確位置，只有美國人一清二楚，而其他國家只能知道個大概。更有甚者，在海灣戰(zhàn)爭期間，美國還曾置歐盟各國利益不顧，一度關閉了對歐洲的GPS服務。

為打破美國的壟斷，俄羅斯耗資30多億美元建起了自己的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)“格洛納斯”。它能夠精確定位位于空中、水面和陸地的任何目標，確定它們的坐標，誤差不到１米。在探測各種目標的移動速度時，誤差可不超過每秒15厘米。當該系統(tǒng)的導航衛(wèi)星的總數(shù)達到24顆時，其定位、導航范圍可遍及整個地球?！案衤寮{斯”也是由軍方負責研制和控制的軍民兩用的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。盡管其定位精度比GPS和歐洲的“伽利略”略低，但其抗干擾能力卻是最強的。盡管美國的GPS已被包括俄羅斯在內的很多國家使用，但俄羅斯認為，在全球定位和導航這一重要領域不能完全依賴國外技術，必須保持技術的獨立性。

歐洲的“伽利略”是世界上第一個基于民用的全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，完全非軍方控制、管理。它總共將發(fā)射30顆衛(wèi)星，衛(wèi)星高度為24126千米。完全建成并投入使用后，將為歐盟成員國和中國的公路、鐵路、空中和海洋運輸甚至徒步旅行者提供精度為1米的定位導航服務；從而打破美國獨霸全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的格局。由于“伽利略”系統(tǒng)能和美國的GPS、俄羅斯的“格洛納斯”實現(xiàn)多系統(tǒng)內的相互合作，將來任何用戶都可以用一個多系統(tǒng)接收機獲得更多的導航衛(wèi)星的信號，所以定位的精度將得到極大地提高。

中國的“北斗”

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)是重要的空間基礎設施，它綜合了傳統(tǒng)的天文導航定位和地面無線電導航定位的優(yōu)點，相當于一個設置在太空的無線電導航臺，可帶來巨大的社會經(jīng)濟效益。除了與歐盟合作參加“伽利略” 系統(tǒng)的建設外，我國還在建設擁有自主知識產(chǎn)權的 “北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)。2007年2月3日，第四顆北斗導航試驗衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，由“長征三號甲”運載火箭成功送入太空；約24分鐘后，星箭分離，衛(wèi)星準確進入預定軌道，至今工作穩(wěn)定、狀態(tài)良好。

我們的“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間段將由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，將以開放服務和授權服務兩種方式提供服務。前者在服務區(qū)內免費提供定位、測速和授時服務，定位精度為10米，測速精度每秒0.2米，授時精度為50納秒；后者是向授權用戶提供更精確、更有保障的定位、測速、授時和通信服務。

正在建設中的“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)，計劃2008年左右滿足中國及周邊地區(qū)用戶對衛(wèi)星導航系統(tǒng)的需求，并逐步擴展為全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。由于在定位時需要用戶終端向定位衛(wèi)星發(fā)送定位信號，用定位信號到達定位衛(wèi)星的間隔時間來計算兩者之間的距離，所以我們的“北斗”導航系統(tǒng)是一種“有源定位”系統(tǒng)。而GPS和俄羅斯、歐盟的定位系統(tǒng)都是接收機被動接受信號的“無源定位”系統(tǒng)。

安全的保障

我們的“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)不僅具備在任何時間、任何地點為用戶確定其所在的地理經(jīng)緯度和海拔高度的能力，而且還在定位性能上有所創(chuàng)新；它不僅能使用戶知道自己的所在位置，而且還可以告訴別人自己的位置，這是其他三個導航系統(tǒng)所不具備的。與此同時中國還致力于提高“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)與其他全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的兼容性，以提高衛(wèi)星定位、導航和授時服務的性能。

盡管我們的“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)在定位功能等方面，與GPS相比還稍有不及，并且“有源定位”的工作方式也很容易暴露用戶的位置，保密性較差，但是，它正在勘探、測繪、電信、氣象、水利和交通運輸?shù)戎T多領域逐步發(fā)揮重要作用，尤其值得一提的是，它將確保我們在發(fā)生戰(zhàn)爭和有特殊用途時不受GPS的限制，這對加強我國的國防建設具有極其重要的意義。