導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展史

王馨+朱麗+劉文婧

摘 要：在當(dāng)今世界，導(dǎo)航已經(jīng)成為人類從事政治、經(jīng)濟(jì)和軍事活動(dòng)所不可或缺的技術(shù)。對(duì)此，較為全面地介紹了全球?qū)Ш蕉ㄎ患夹g(shù)的發(fā)展歷程，重點(diǎn)介紹了星基導(dǎo)航的幾種定位系統(tǒng)。

關(guān)鍵字：導(dǎo)航；定位； GPS；發(fā)展史

中圖分類號(hào)：V324 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）11-0131-02

據(jù)傳說(shuō)，當(dāng)年黃帝部落與蚩尤部落在涿鹿大戰(zhàn)，突起狂風(fēng)暴雨，由于有指南車的指引，黃帝的軍隊(duì)在大風(fēng)雨中依然能夠辨別方向，最終打敗蚩尤。此外，還有古代絲綢之路長(zhǎng)途跋涉的駱駝隊(duì)，中國(guó)明代的鄭和下西洋。在這些事例中，如果他們沒(méi)有地物作參考/沒(méi)有導(dǎo)航幫忙，是不可能成功的。由此，導(dǎo)航的重要性可見(jiàn)一斑。在漢語(yǔ)大詞典中，導(dǎo)航的意思是：“引導(dǎo)飛行器或船舶沿一定航線從一點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到另一點(diǎn)的方法?！彪S著科技的不斷發(fā)展，如今導(dǎo)航已不僅僅應(yīng)用在飛機(jī)、船舶等特定的交通工具上；在日常生活中，我們驅(qū)車自駕游、外出休閑徒步旅行或去未知地帶探險(xiǎn)等，都可以利用導(dǎo)航裝置來(lái)為我們導(dǎo)航到希望的位置。

導(dǎo)航裝置品種繁多，但大致可以分為陸基導(dǎo)航和星基導(dǎo)航兩大類。從一般意義上講，可以把那些將導(dǎo)航設(shè)施（或媒介）置于陸地上、導(dǎo)航信號(hào)作用范圍限于電離層以下的空間、陸地和海洋上的導(dǎo)航行為，統(tǒng)稱為陸基導(dǎo)航。由于陸基導(dǎo)航的精度較低，所以星基導(dǎo)航應(yīng)運(yùn)而生。

1 星基導(dǎo)航定位系統(tǒng)

由于陸基導(dǎo)航普遍存在定位精度低、信號(hào)覆蓋范圍有限等問(wèn)題，難以滿足現(xiàn)代航空、航海、軍事和陸地車輛的高準(zhǔn)確度導(dǎo)航定位的需要。所以，以GPS為代表的星基導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。自人造地球衛(wèi)星問(wèn)世以來(lái)，人類在星基導(dǎo)航定位技術(shù)的研究上投入了大量的人力和財(cái)力，走過(guò)了艱苦奮斗、不斷創(chuàng)新、碩果累累的半個(gè)世紀(jì)，取得了巨大成功，翻開了導(dǎo)航領(lǐng)域嶄新的一頁(yè)，開創(chuàng)了空間技術(shù)為人類造福的新紀(jì)元。

1.1 首顆人造地球衛(wèi)星

1957-l0，蘇聯(lián)成功發(fā)射了世界上首顆人造地球衛(wèi)星，這顆衛(wèi)星的成功發(fā)射標(biāo)志著人類在空間科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)入了新紀(jì)元。此后，世界各國(guó)的人造地球衛(wèi)星如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，并在天文、氣象和軍事等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用?？梢哉f(shuō)，人造地球衛(wèi)星是星基導(dǎo)航技術(shù)的奠基石。

1.2 衛(wèi)星多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)

1.2.1 美國(guó)的海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)

人造地球衛(wèi)星的出現(xiàn)，令各國(guó)的軍事部門如臨大敵，紛紛繃緊神經(jīng)。1958年末，美國(guó)海軍為了給北極星核潛艇在遠(yuǎn)海中提供全球性導(dǎo)航定位，委托霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室開始研制一種新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即美國(guó)海軍衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Navy Navigation Satellite System，簡(jiǎn)稱NNSS）。由于該系統(tǒng)的衛(wèi)星通過(guò)地極，即沿地球的子午圈軌道運(yùn)行，因此又被稱為子午（TRANSIT）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。從1959—1961年這3年時(shí)間里，研究人員先后共發(fā)射了9顆實(shí)驗(yàn)性子午衛(wèi)星。通過(guò)無(wú)數(shù)的努力，經(jīng)過(guò)反復(fù)的驗(yàn)證研究，1964年，系統(tǒng)終于建成并正式投入使用。該系統(tǒng)由分布在6個(gè)軌道面上的6顆工作衛(wèi)星構(gòu)成，衛(wèi)星平均高度為1 000 km，衛(wèi)星運(yùn)行周期約為108 min。TRANSIT衛(wèi)星系統(tǒng)采用的是多普勒定位原理，起初主要為北極星核潛艇提供服務(wù)，之后逐步發(fā)展到各種船舶的導(dǎo)航。盡管該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目少，運(yùn)行高度低，觀測(cè)衛(wèi)星的時(shí)間間隔長(zhǎng)，但它仍然推動(dòng)了導(dǎo)航這一新興領(lǐng)域的快速發(fā)展，開啟了星基導(dǎo)航定位系統(tǒng)這一新篇章。

1.2.2 蘇聯(lián)的 TSICADA

受到美國(guó)TRANSIT系統(tǒng)的啟發(fā)，前蘇聯(lián)立即著手開發(fā)自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。1965年，前蘇聯(lián)建立了與TRANSIT相似的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)也由6顆衛(wèi)星構(gòu)成星座，高1 000 km，有6個(gè)軌道面，衛(wèi)星運(yùn)行周期約為105 min。該系統(tǒng)主要為前蘇聯(lián)軍方提供服務(wù)。

1.3 美國(guó)的GPS

20世紀(jì)60年代初，美國(guó)國(guó)防部（DOD）、國(guó)家航空航天局（NASA）和交通部（DOT）認(rèn)為子午系統(tǒng)無(wú)法滿足軍事和民用連續(xù)實(shí)施三維導(dǎo)航的迫切需求，更無(wú)法滿足高動(dòng)態(tài)用戶的精密導(dǎo)航要求。他們希望能有這樣一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——可以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋、全天候工作，可以為高動(dòng)態(tài)用戶提供服務(wù)，并且擁有較高的精度。1973年末，美國(guó)國(guó)防部決定將陸海空三軍種的研制工作統(tǒng)一起來(lái)，研制新一代的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，這就是我們現(xiàn)在所說(shuō)的“導(dǎo)航衛(wèi)星授時(shí)測(cè)距/全球定位系統(tǒng)”（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System），即GPS。這個(gè)項(xiàng)目歷經(jīng)二十余年的研制，花費(fèi)百億美元。1993年末，GPS可以進(jìn)行初始運(yùn)行。此時(shí)，它由分布在6個(gè)軌道面的24顆衛(wèi)星組成。1995年初，GPS全面投入正常運(yùn)行。

1.4 前蘇聯(lián)的GLONASS

為了應(yīng)對(duì)美國(guó)的GPS系統(tǒng)，同時(shí)也為滿足本國(guó)軍事的需求，前蘇聯(lián)于1976年頒布了一個(gè)建立GLONASS的法案。1982-10，前蘇聯(lián)發(fā)射了這個(gè)系統(tǒng)的第一顆衛(wèi)星。在1988年召開的一個(gè)國(guó)際會(huì)議上，前蘇聯(lián)表示各國(guó)可以免費(fèi)使用GLONASS系統(tǒng)的導(dǎo)航服務(wù)。前蘇聯(lián)解體后，1993年俄羅斯總統(tǒng)葉利欽發(fā)表演說(shuō)，提到GLONASS系統(tǒng)即將開始正式運(yùn)行，成為一個(gè)工作系統(tǒng)。1994—1996年，在這3年時(shí)間里，俄羅斯逐漸發(fā)射衛(wèi)星，并將24顆衛(wèi)星星座全部布滿，至此總花費(fèi)達(dá)數(shù)十億美元的GLONASS系統(tǒng)正式投入使用。到2005年上半年為止，已先后發(fā)射了80余顆衛(wèi)星。

1.5 我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

1983年，陳芳允首次提出了北斗計(jì)劃，1994年我國(guó)確立了北斗計(jì)劃。這一系統(tǒng)將支持制圖、航天航空、導(dǎo)航、災(zāi)難應(yīng)急救助和國(guó)防等方面的應(yīng)用。2000-01，我國(guó)發(fā)射了第一顆北斗衛(wèi)星，同年12月發(fā)射了第二顆。2003-05-25，我國(guó)在西昌將第三顆“北斗一號(hào)”送入太空。這顆衛(wèi)星與前兩顆一起構(gòu)成了我國(guó)完整的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，即北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱CNSS.

北斗系統(tǒng)的成功建成，填補(bǔ)了我國(guó)星基導(dǎo)航定位領(lǐng)域的空白，使我國(guó)成為繼美國(guó)GPS和俄羅斯GLONASS后，世界上第三個(gè)建立成熟衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。該系統(tǒng)的建立，將對(duì)我國(guó)國(guó)防現(xiàn)代化和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)有著重要的作用。2012-12-27，北斗系統(tǒng)在繼續(xù)保留北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)有源定位、雙向授時(shí)和短報(bào)文通信服務(wù)的基礎(chǔ)上，向亞太大部分地區(qū)正式提供連續(xù)無(wú)源定位、導(dǎo)航、授時(shí)等服務(wù)，民用服務(wù)與GPS一樣免費(fèi)。預(yù)計(jì)到2020年，將建成由5顆地球靜止軌道和30顆地球非靜止軌道衛(wèi)星組網(wǎng)而成的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

2 結(jié)束語(yǔ)

隨著人類文明的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的日新月異，從原始時(shí)期的尋路、判別方向，到后來(lái)的陸基導(dǎo)航，再到現(xiàn)在的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，無(wú)不體現(xiàn)著人類智慧的結(jié)晶。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除了給人們?nèi)粘Ｉ钐峁┍憷猓€在科技、經(jīng)濟(jì)、軍事領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用，它已經(jīng)漸漸成為衡量一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的標(biāo)準(zhǔn)。

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〔編輯：李玨〕endprint