1993年2月10日
全球卫星导航与定位技术
顾名思义,卫星定位就是利用导航卫星对目标进行准确定位的技术,全名是“全球卫星定位系统”(global positioning system),简称GPS。
进入新世纪,天上有了导航卫星,地面有了计算机网络,手中有了手机,人们的生活似乎更加快捷、方便了。通过GPS,你也可以随时轻松地知道自己所在的位置;你爱车的位置、速度和方向,以及它如何在地图上移动;你要去的地方该如何到达,路线是对还是错。通过GPS,老人、小孩、智障者甚至宠物的行踪、物品和财物的去向、车辆的防盗和监控、出租车的实时监控和远程调度、人员和车辆安全等也都能一揽子解决。当然,如果必要,作为地面上的一个目标,你的位置也可以轻松地被他人知道,如果不加特别防范,个人的隐私也就随之不保了。所有这一切,都是由于有了全球卫星定位系统(图1)。
图1
这一技术最初始于20世纪50年代,当时名叫“子午导航系统”,是由美国海陆空三军联合研制的一个军事项目,总耗资300亿美元,1964年正式投入使用,主要为军事目的提供实时、全天候和全球性的导航,还用于情报收集、核爆检测和应急通信等。一开始,它只用了五六颗卫星,因而只能确定目标位置,数据不完备也不精确,尽管不能与现在的导航系统相比,却是这一技术的雏形,它开创了全球卫星定位与导航技术的先河。
1967年7月29日,“子午仪导航”的部分项目被解密提供民用,为卫星导航的发展提供了难得的机遇。1978年和1989年美国先后成功发射GPS的实验卫星和工作卫星,从此宣告GPS系统的运营正式开始。
此后仅仅过了几年,在空中已经有24颗卫星,其中21颗工作卫星,3颗备用卫星,它们分别安置在3条轨道上运行,3条轨道互成120度角,其上各有8颗卫星,无论在地面哪个位置,空中都至少有4颗卫星为导航服务。与此同时,在地面上分别在夏威夷、亚森欣岛、迪亚哥加西亚、瓜加林岛、科罗拉多泉设有5座卫星地基站。图2所示是地球上空同步卫星的布设图。
图2
全球卫星定位系统是一门综合技术,涉及面很广也很复杂。首先涉及原子钟的同步问题。为使GPS系统正常工作,卫星需要随时向地面通报自己的准确位置和时间。由于气候、运动和其他因素的影响,卫星原子钟的时间会发生漂移,地基站要随时对卫星原子钟进行同步调整。GPS卫星要不断地把它的时间和位置传输出来,地面接收者对所采集的数据加工处理、运算和存储,这是一个求解方程的过程。三维空间加一维时间,共有4个未知量,所以至少要同时接到来自4个卫星的信息。地基站负责监视GPS的运作状态及它们在太空的准确位置,监视卫星运行的时间偏差,随时对卫星进行定位。
全球卫星定位是一项影响全人类的重要技术,最初研发GPS的团队由来自美国海军实验研究所、航空航天局、罗克韦尔国际公司和IBM的研究人员组成。为表彰他们几十年来在航空和航天领域开发所作出的贡献,1993年2月10日,美国国家航空协会授予这一团队以罗伯特·克里尔奖杯,这是美国最著名的国家航空奖项。
到目前为止,历经几十年,由24颗GPS同步卫星组成的全球定位系统布局已经初步完成,它能覆盖高达全球98%的地区。这些卫星与地面支撑系统组成网络,无论在地球的任何一个点上,都能同时观测到6~9颗卫星,换句话说,每个时刻,在太空上都有6~9颗卫星进行着观测。它们用差分办法彼此协调,每隔1~3秒就向用户播报一次位置、速度、高度和时间信息,其距离的精度可以达到5米。
GPS系统完善以后,人类的生产、生活对它的依赖越来越高,民用飞机和船舶的导航,各种科学或天文观测、大地测量和地球动力学观测,军事打击、导弹及兵种联合作战等都离不开卫星导航系统。但是,无论是生活、生产、科研还是军用的需求,一个大国还是需要有自己的卫星定位服务,而不是单纯依赖其他某个国家的某个系统。
目前,世界建成的卫星定位系统共有4套,除了美国定位系统外,还有中国的北斗系统(图3)、欧盟的伽利略定位系统和俄罗斯的格劳奈斯(GLONASS)定位系统,这后三家定位系统使用的都是终端自己定位的方案,即由卫星发布信息,由地面终端接收,接收地经过解码后即可以确定自己的位置(参见本书11月23日“2014年北斗导航卫星”)。
图3
经过多年的努力,在专业领域里,卫星定位导航系统已经成为用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、姿态测定、测时授时、地壳运动检测、工程变形监测及资源勘探中的不可缺少的技术,它为地球动力学、航空航天等学科带来了一场深刻的技术革命;在军事、交通、地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、金融、公安等部门和行业也广泛地开展了相关配套技术的研究和应用,成为一个影响诸多专业领域发生巨大变革的关键技术。
在民用上,在车载导航、城市物流管理和控制、智能调度等方面,GPS也有更广泛的应用。世界软件巨头微软也看准了GPS的发展,他们开发了许多软件的配套服务,使GPS不仅能定位,还能发布交通状况、街景状况、天气情况、油料价格、电影放映时间,这些信息每隔两分钟就发布一次,可以说,由定位卫星发布的信息已经随时随地都与你同在。
关键词:全球卫星定位系统,global positioning system
图1:http://www.gps.gov/systems/gps/
图2:http://acdemocracy.org/the-u-s-global-positioning-system-needs-protection/
图3:http://www.fieldtechnologies.com/china-launches-beidou-gps-system-set-to-rival-us-gps/