衛(wèi)星導航，從“子午儀”開始

文/松堂

衛(wèi)星導航從很大程度上來說是天文導航的衍生和發(fā)展，從遠古時期人們就開始通過觀測夜空中的星星和白天的太陽來確定自己的位置。在漫長的航海史中，人類發(fā)明了各種各樣的天文觀測儀器，最著名的就是所謂的六分儀。用六分儀對準太陽或者星星，通過一定的計算就可以確認自己在大海上的位置。這種測量的精度算不上太高，誤差很大，但在那個沒有無線電技術的年代，六分儀已經算得上是最可靠的導航手段了。只要把船只引導到陸地附近，天文導航就算完成了任務，因為在航線所經過的一些港口附近都會建設高高的燈塔，用來引導船只精確地找到自己的目的地。

到了大航海時代，歐洲的主要航海國家開始探索新的導航方式，也就是所謂的航海鐘。航海鐘的走時非常準確，船長可以通過速度方向時間的計算，來確定自己在海上向哪個方向走了多遠。這種方法又比天文導航更加精確，大英帝國就是憑借在航海鐘上的領先地位，建立起了更高效的海軍，打敗了法國和西班牙，確立了自己海上霸主的地位。圍繞著航海鐘，發(fā)生了很多驚心動魄的故事。

▲子午儀系統(tǒng)的2A衛(wèi)星模型

子午儀導航衛(wèi)星

無線電技術出現(xiàn)以后，海上導航系統(tǒng)很快建立起來。在港口的電臺和船只之間，不但能用無線電波來通信，還可以通過多個陸地臺站的無線電測向結合海圖來確定航船在海上的位置，它的精度要比六分儀高多了。不過陸基無線電測向也有自己的問題。在地平線后面的另外一端，船只就收不到無線電信號了，很多時候還是要靠天文導航來解決問題。

那么能不能在天空中部署一些人工制造的星星，發(fā)射人為設定好的信號來達到更加精確的導航性能呢？答案當然是可以的。把路基的無線電導航臺站搬到天上去不就行了嗎？至于測距的手段就用多普勒頻移好了。這就是人類歷史上第一種定位衛(wèi)星“子午儀”的設計原理。

在這里我們首先要說一下子午儀。作為衛(wèi)星來說，“子午儀”只是一個代號，而真正的子午儀其實是一種天文儀器。它的主要功能，是測量恒星通過子午圈的時刻，也可以用來測定緯度。

至于子午儀導航衛(wèi)星，它與蘇聯(lián)發(fā)射的第一顆人造衛(wèi)星“信使”號——也就是“斯普特尼克”——有非常密切的關系?！靶攀埂碧柹咸熘?，不但引起了政治上的震動，科學界也對它進行了密切觀測。美國約翰-霍普金斯大學的兩位學者在觀測它發(fā)射的無線電信號時，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星信號的多普勒頻移曲線與衛(wèi)星的運動軌跡之間存在著十分密切的聯(lián)系。所謂多普勒頻移，就是在無線電信號發(fā)射源接近接收機的時候，收到的信號頻率逐漸升高；而遠離接收機的時候，頻率逐漸降低。如果在一個已知位置的點上測量頻移，能夠知道衛(wèi)星的精確軌道。而反過來，如果知道了衛(wèi)星的精確軌道，通過測量頻移就可以推算出觀測站的地理位置。

這個重大發(fā)現(xiàn)刺激了美國軍方。當時正值美國海軍導彈核潛艇發(fā)展初期，核潛艇如何知道自己的精確位置是個很大的麻煩。傳統(tǒng)上，潛艇可以用慣性導航來測算自己的位置。但慣性設備存在著誤差積累的問題，運行時間越長，誤差就越大。理論上說，潛艇可以浮出水面來觀測星空，修正慣性導航的誤差，然而這樣就喪失了潛艇的隱蔽性，讓核潛艇的優(yōu)勢無從發(fā)揮。所以，美國軍方在1958年就急切地啟動了“子午儀”衛(wèi)星計劃，用上面所說的原理來實現(xiàn)核潛艇的導航。

▲ 北斗導航衛(wèi)星示意圖

▲ 子午儀衛(wèi)星的結構

▲ 早期的子午儀系統(tǒng)地面站

1960年4月，“子午儀”計劃第一顆衛(wèi)星“子午儀1B”發(fā)射，用來驗證系統(tǒng)總體方案和關鍵技術，特別是演示驗證雙頻多普勒測速定位導航原理，取得成功。從1963年開始，“子午儀”計劃開始發(fā)射實用型衛(wèi)星，1964年第一顆定型的“子午儀5C-1”衛(wèi)星發(fā)射，并交付美國海軍。到1967年，整個“子午儀”星座建成，并且向民間開放服務?！白游鐑x”星座運行在距離地面1100公里的高度，5顆衛(wèi)星就能實現(xiàn)全球覆蓋。

“子午儀”解決了衛(wèi)星導航定位的有無問題，在軍民航?；顒又邪l(fā)揮了重要的作用。然而它也僅僅是解決了有無問題而已，在定位的實時性、設備的易用性方面都不能讓人滿意?！白游鐑x”的應用從60年代延續(xù)到90年代中期，由于這個時期大規(guī)模集成電路的發(fā)展還不充分，計算機系統(tǒng)還大量使用晶體管乃至電子管，導致設備體積龐大。除了大中型海上平臺之外，無論車輛還是飛機都很難容納。這就限制了子午儀系統(tǒng)的應用。

最大的問題則是定位的實時性不夠。因為工作原理和衛(wèi)星數(shù)量的問題，全球范圍內每天只能定位20次，有些地方要等8到12小時才能獲得一次定位服務。每次要觀察10多分鐘才能獲得定位解。而且由于軌道高度低、軌道控制手段不足，導致衛(wèi)星軌道漂移嚴重，后期幾乎完全喪失了精確定位的能力。

用新的衛(wèi)星系統(tǒng)來替代“子午儀”，已經是迫在眉睫了。

GEOSTAR與“北斗”一代

為了替代“子午儀”，美國軍方提出了GPS計劃，并且在1973年開始實施。由于GPS投資大、建設周期長，人們一時間還看不到用它取代“子午儀”的前景。于是美國科學家格拉德-奧內爾等人提出了一個過渡性的方案，用地球靜止軌道衛(wèi)星發(fā)射無線電信號，來實現(xiàn)地面用戶的定位，這個系統(tǒng)叫做GEOSTAR。GEOSTAR的主要用途是跟蹤飛機，被稱作“無線電測定服務”。它用3顆衛(wèi)星來廣播信號，可以覆蓋整個美國。不過1986年發(fā)射的GEOSTAR-2衛(wèi)星只工作了兩個月就失效了，于是GEOSTAR系統(tǒng)只能用兩顆衛(wèi)星開展試驗工作。就在GEOSTAR要大展宏圖之際，奧內爾的身體狀況越來越糟，無法再指導科研實驗的開展。到1991年，GEOSTAR正式宣告破產，資產賣給了摩托羅拉公司。

應該說GEOSTAR是個相當不錯的方案，但當時正值冷戰(zhàn)高峰，美國和蘇聯(lián)進行著瘋狂的軍備競賽，GEOSTAR雖然可以服務于航空用戶，但美國軍方一心想的是用衛(wèi)星導航來支持核導彈。導彈作為一種高動態(tài)目標，顯然不是GEOSTAR所能支持的，所以當GPS進入應用階段后，GEOSTAR這樣的方案就被美國人放棄了。

▲子午儀系統(tǒng)的AN-BRN-3接收機體積巨大

美國人不打算做的事情并不見得對其他人也沒有價值。中國在啟動衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設之初，國家的財力還不是非常充裕，同時從技術上的慎重性考慮，一步邁向全球定位系統(tǒng)那樣的星座并不現(xiàn)實，因此北斗導航系統(tǒng)的第一代選擇了類似于GEOSTAR的雙星定位方案。

雙星定位方案的北斗，同樣是采用測距方式。首先，要由地面中心站向兩顆衛(wèi)星發(fā)射測距信號，衛(wèi)星將信號功率放大后向服務區(qū)轉播。服務區(qū)內的接收機在接收到衛(wèi)星轉發(fā)的測距信號后，發(fā)出應答信號，經過衛(wèi)星中轉到中心站。中心站根據(jù)應答信號的時間延遲，計算中心站——衛(wèi)星——用戶機的距離，中心站到衛(wèi)星的距離是已知的，由此可以計算出接收機到衛(wèi)星的距離。根據(jù)接收機分別到兩顆北斗衛(wèi)星的距離，可以各自做一個球形與地球表面相交，得到兩個交點，一個在南半球，一個在北半球，這很容易通過接收機使用者的任務派遣方向來判斷，于是就能得到接收機的具體坐標。最后，中心站將這個坐標經過衛(wèi)星發(fā)送往接收機，接收機再經過衛(wèi)星向中心站發(fā)送一個回執(zhí)，如此完成一次定位。

▲美國海軍用的子午儀系統(tǒng)接收機

雙星定位雖然程序較為復雜、定位速度比較慢，但它讓中國人第一次實踐了衛(wèi)星導航系統(tǒng)，掌握了包括原子鐘導航電文、電離層改正等一系列重要的技術。北斗一代還在汶川地震等應急行動中發(fā)揮了重要作用。在它的基礎之上，中國開始邁向區(qū)域化的北斗二代導航定位衛(wèi)星系統(tǒng)。而北斗一代的短報文通信，在實際應用中發(fā)揮了意想不到的作用，作為一個優(yōu)勢在后續(xù)的北斗研制中保存下來。