从北斗到“北斗”——人类导航定位简史

飞蠓 2020-07-1400:19:25 评论 994 views

从北斗到“北斗”——人类导航定位简史

每个人脑子里都自带一个导航系统,这就是通常所谓“方向感”。生理学研究表明,这套导航系统位于人脑的海马体里。在古老的采集渔猎时代,人类经常需要离开居住地外出寻找食物,通常男性负责渔猎,女性负责采集,但无论如何分工,那些不擅长认路和记忆路线的人总是会被大自然无情淘汰。当然,由于农业社会并不需要人类具备敏锐的空间方位记忆能力,所以那些“路盲”“路痴”也就并没有被彻底淘汰,其结果就是人类——尤其是现代人——的自我导航能力,和大自然的很多动物——例如每年都要飞行几千公里进行迁徙的帝王斑蝶——比明显相形见绌。据史书记载,中国西汉时期汉匈战争中汉军就多次在草原、荒漠上迷路,导致几次战役失利。

然而我们是人,是善于总结经验教训、擅长寻找规律应用规律和发明工具的智人。我们发明了很多辅助导航和定位的工具,尤其是那些航海民族,他们需要在茫茫无际的大海上知道自己的方位,从而避开危险的海域并能到达自己预期的目的地。最早投入应用的那些导航辅助方法中,毫无疑问应该包含天上的星星,特别是北斗七星。

①靠天吃饭

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北斗七星是北天夜空中最显眼的星群之一,它的形状5万年来没有太大的变化,在夜空中辨识度很高。北斗七星本身没有导航价值,但它有一个非常重要的优势:靠近北天极。虽然由于岁差的缘故,不同的时代利用北斗七星寻找北天极的方法有差别,然而你总是可以找得到。在夜空中找到了北,你只需要面朝北方,伸开双臂,南、东、西也就出来了。有了四个平面方位,最基本的方向感也就能建立起来了,最起码你就不会需要往南走的时候却转向北方,那就真成了南辕北辙。

当然,用这种方法进行导航是极为粗略的,无法知道自己的位置,而且只能在晚上能看到星星的时候运用。因此古代航海民族通常采用的导航方法还是近岸地标法,就是只在靠近海岸线的地方航行,观察岸上事先选定的标志物的方位,据此了解自身的位置和运动方向。不过凡事总有例外,大洋洲的南岛人就凭借超凡的导航能力,公元前3000年开始从中国南部沿海出发,途径东南亚,利用季风和洋流跨越漫漫大海,征服了广袤的太平洋中大部分适合人类居住的小岛。据推测,他们主要是利用星星的方位导航,这一点从迪斯尼动画片《海洋奇缘》中我们可以略知一二。

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南岛人渡海迁徙路线示意图

对于旧大陆的其他航海民族来说,此时他们掌握的航海技术还不足以让他们深入大洋。然而到了十二世纪,一个新导航工具问世了,这就是磁罗盘。它是利用古代中国人发现的天然磁石在地磁场影响下的指向性发明的,航海家们可以用它实时了解自己的航行方向,这样只要测出船速,再测出航行的时间,就可以计算出自己的新位置。虽然误差比较大,但这已经解决了一个大问题,最起码航海家们可以脱离海岸线行驶了。热那亚人哥伦布指挥三艘帆船于1492年深入大西洋往西航行,最终发现西印度群岛,其中最重要的航海装备就是他的磁罗盘。

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磁罗盘帮助哥伦布多次跨越大西洋

航海家们并不以此满足,他们还是想找到更精确的导航定位办法。这样的办法在理论上是有的。早在公元前150年,古希腊学者克劳狄乌斯·托勒密(Claudius Ptolemy)在著作《地理学指南》(又译《地球形状概论》)中就建立了精确的经纬度概念。地球上的任意一个地点都有自己的经纬度坐标,所以只要航海者能够测量出自己的经纬度,也就等于知道了自己的位置。纬度的测量可以通过两种办法进行,一种是在夜间测量北天极的地平高度,一种是在白天正午时测量太阳的高度,然后计算出纬度。然而经度问题却把人们难倒了。

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经线和经度定义

在中学地理里我们都学过经线和经度,并且借助地球仪了解过相关知识,可能有些人已经把这部分知识还给老师了,没关系,我们可以重温一下相关的内容:地球表面上从北极点到南极点的半圆弧线叫做经线,同一经线上的地点具有相同的地方时,某个经线所在的子午面与经过本初子午线(即0度经线)的子午面之间的夹角的度数就是经度

虽然经度的定义是一个角度值,但实践中很难直接测量这个角度的大小,当然也不是完全不可能。我们可以用天上的星星当指示器,这里我们要学习一个天文学上的术语:上中天,它指的是太阳、月亮、恒星等天体由于地球自转而运动到天空中最高的位置,也就是正南正北的位置上。地球上两个地方的人可以【同时】找到各自地点上正处在上中天位置上的恒星,查出这两颗恒星的天球座标,它们的赤经差就是这两个地方的经度差。乍听起来也不是很难对吧?但注意上面加着重提示的关键字:同时。不要说古代,就是在100年前这也是不容易做到的。大航海时代的航海家们可等不到20世纪。

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用太阳直射时刻来校正钟表以获得地方时

所以人们被迫另辟蹊径。由于地球在自转(表现为太阳月亮和其他天体的周日视运动),天文学家悟出来,经度问题可以转化成一个时间差问题,而这就牵扯到一系列与时间有关的概念。

首先要指出,我们手表或者手机(以下统称时钟)上显示的时间并不是我们真正的本地时间。我们知道自古以来“中午”的定义就是一天中太阳位置最高在地面上造成的影子最短的时刻,这个时候太阳应该处在“上中天”位置,但实际上大部分人会发现时钟上显示中午12点整的时候,太阳并不处在上中天位置,而是偏东或者偏西,越往中国西部走,太阳就越是偏东得厉害。这是因为我们所用的北京时间,实际上是东经120°经线上的“本地时间”(地方时),而我们大部分人并不恰好生活在这条经线上。

那怎么才能得到我们的真本地时间呢?理论上讲,用太阳来校准我们的时钟就可以了,我们可以用真实的太阳上中天时刻作为中午12点整来校准我们的时钟,这样就能得到我们的真·本地时间了,地理术语叫地方真太阳时

这时我们会发现一个有趣的现象:在北京市用真太阳时校准的时钟,带到上海去与在上海市用太阳校准的时钟比较,会相差20分钟又4.8秒,原因我们都知道,地球自转嘛。上海市太阳当顶时,在北京市太阳还偏东,等地球再自转20分钟零4.8秒后,太阳才会出现在北京市的上中天位置上。

太阳在这20分零4.8秒内走过的度数,就是北京市和上海市的经度差。那这个经度差是多少呢?很好算,太阳在天上跑一圈是360°,耗时24小时,算下来每4分钟跑1°,我们用20分零4.8秒除以4,就可以算出来北京和上海两地的经度差是5.02°—— 这就是通过本地时间的时间差来计算经度的原理。

所以,理论上讲,航海者如果能测出本地时刻,再对比一个与格林尼治时间对准的时钟上显示的时间,就能得到本地与格林尼治的时间差,进而计算出所在位置的经度。这样测量经度的问题就转换为如何测得本地时刻和如何得知格林尼治时间的问题,虽然难度也很高,但总算是能让人看到希望。

②上帝的时钟和人造的钟表

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经度法案

1707年罂国海军司令克劳迪斯里·肖维尔爵士(Sir Cloudesley Shovell)由于定位错误,率领整个舰队大摇大摆地闯入暗礁区,结果4艘军舰触礁沉没,至少1600名水兵丧命。此事震动了罂国朝野上下,于是1714年7月8日,罂国议会通过“经度法案”,决定奖赏那些找到办法能在地球赤道上将经度确定到半度范围内的人,赏金是两万英镑,如果误差超过2/3度,赏金是一万五千英镑,哪怕误差达到1度,也能拿到一万英镑。1714年时候的2万英镑价值大约是现在的287万英镑,可见罂国人确实是下了血本。

重赏之下,必有勇夫,科学家和发明家们解决经度测量问题的积极性瞬间迸发出来了。从技术途径上讲,经度测量主要有两大流派:天文派钟表派。天文派的技术思路是:找到某种周期性出现的、全球都能看到的天象,预测它每次出现时的时刻,用格林尼治时间表示,然后天文学家或者航海者在其他地方等待和观察这些天象的出现,记录下它出现时的本地时刻,这样就可以得出该地与格林尼治之间的时间差,进而确定这个地方的经度。先后被采纳的天象分别是:月食木卫(伽利略建议的)和月距(牛顿建议的),在这个过程中还有一些有趣的天文成果,例如意外发现了光速的有限性,这个要展开说就又够一篇文章了。

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六分仪

我们只需要指出,最后投入实用的是月距法,它的主要步骤是:

1、航海者用六分仪精确测量月亮和某些恒星的角距离;

2、把观测到的数据校正视差和大气折射后,归算到地心坐标;

3、查航海用的天文年历,计算出月亮和选定恒星之间为所测量距离时的格林尼治时间;

4、利用六分仪观察太阳或特定恒星的高度,确定本地时间,从而得到与格林尼治时间的时间差。

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中国出版的航海用天文历书

这个办法从1766年开始差不多用了快100年,直到十九世纪中叶才逐渐退出航海界。它的主要问题有三个:第一,靠天吃饭,一旦云雾遮挡了月亮就抓瞎了,又或者月亮太靠近太阳,都会使观测无法进行;第二,月球运动极其复杂,十八世纪时对月球位置的预测精度虽然比前代要高得多,但用于测量经度还是稍显不够,更精确的月球运动表要到十九世纪末期才出现;第三,由于月亮本身是个大圆面,观测者很难找到它的中心点,这种情况下要测量它与恒星之间的精确距离,对观察者的经验和能力提出了很高的要求,而且观测误差难以消除,这就影响了经度测算的精度。

钟表派的技术思路就很简单粗暴了。你不是需要知道本地时间和格林尼治时间之间的时间差吗?那我就制造一块走时准确的钟表,把它和格林尼治时间校准之后,任你带到全世界各地去,这样你只需要测出本地时间就马上能得出时间差并算出本地的经度。现在问题就是,如何制造一台走时准确的时钟。

我们现在生活的时代,获取高精度的时间极其容易,以至于绝大多数人已经习以为常了。但在400年前,这还是一种奢望。1583年伽利略发现摆的等时性后,人们开始尝试用摆制造钟表,到了1656年,首款摆钟终于问世,它的发明人是著名学者、荷兰人惠更斯。到了1670年,罂国人发明了一种新型擒纵器,可以把摆的往复运动转换成秒针的圆周运动,从而发明了落地式的大摆钟。

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惠更斯设计的摆钟

这种摆钟在陆地上工作得很好,但上不了船。这也难怪,毕竟海上船只摇晃不定,对钟摆的工作是非常大的干扰。惠更斯不愧是大学者,立刻从摆钟的制造原理里悟出了钟表的原理:利用物体固有的运动节律控制秒针的走动。他注意到弹簧的振动周期可以利用,于是在1675年发明了一种不依赖地球重力加速度的新型计时工具:游丝摆轮式手表

不过新诞生的游丝手表也存在各种不适应海上生活的缺陷,例如游丝的振动周期受昼夜温差影响较大、机械部件的运转受海上潮湿环境的严重影响等。因此惠更斯的新发明也没有解决海上定位问题,但他毕竟为后人开辟了一条新的通道。

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约翰·哈里森

“经度法案”公布后,很多发明家开始努力改进游丝摆轮式计时器,一个自学成才的钟表匠崭露头角。他叫约翰·哈里森(John Harrison,1693-1776),罂国西约克郡人。他从1713年开始尝试制造摆钟,从1725年开始的三年内他和弟弟詹姆斯·哈里森一道用木头制造了至少三台精密的摆钟,在这个过程中他发展出了制造精密时钟部件的本领,例如他发明了一种新型擒纵器,几乎不需要润滑油。

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哈里森制造的H1实物

1730年哈里森前往伦敦,与钟表制造商乔治·格林汉姆(George Graham)合作挑战航海钟制造这个世纪难题。他花了整整5年时间制造出第一种可堪使用的航海钟,代号H1。1736年,这台重达34千克的航海钟被带上了一艘战舰开往里斯本,海员们对它印象颇深,根据它计算出的船位与实际位置偏差约60海里,是当时所有方法中最准确的。

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H4(左)和它的发条装置(右)

哈里森并不满足,他又继续花费了3年和17年时间分别制造了H2和H3。它们都是巨型的时钟,因为当时人们都认为只有大型钟表才能摆脱各种不利因素的影响而走时准确,但事实并非如此。差不多在1750年,哈里森认识到较小型的航海表可能是最佳选择,于是从1753年开始,他开始设计制作H4,6年后终于制造成功。这个仅比怀表大一些的小玩意儿直径约13厘米,重3磅,准确度奇佳,1761年约翰·哈里森的儿子威廉·哈里森带着这块航海表随战舰航行到了牙买加,在81天又5小时的航程中,它累计只比正确时间慢了5分钟,到达牙买加首都金斯敦(Kingston)后扣除已知的每日误差后用钟表法推算该地的经度,与精确测量值只差了1′15″,远远超过半度的精度要求。

由于罂国议会内负责颁奖的“经度委员会”被天文派把持,所以委员会拒不承认H4的惊人成绩,而是认为它只是走了狗屎运,于是要求再测一次。这次是随战舰开往巴巴多斯的布里奇顿(Bridgetown),1764年在布里奇顿同时使用钟表法和月距法进行经度测量,最终结果证明钟表法又快又好(这个时候的月距法需要进行4个小时的复杂计算,并且误差达到48千米,而钟表法误差只有16千米)。

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天文学家内维尔·马斯基林

不幸的是,发明实用月距法的天文学家内维尔·马斯基林(Nevil Maskelyne,第5任罂国皇家天文台台长)后来进入“经度委员会”,他处处给哈里森穿小鞋。哈里森迫不得已,找到罂国国王乔治三世告状,1772年乔治三世亲自测量了H4,发现它的误差只有0.3秒/天,于是干预了经度委员会的工作,在国王的影响下,最终罂国国会决定绕过经度委员会,直接颁奖给约翰·哈里森。1773年6月哈里森拿到了2万英镑奖金,3年后他就去世了,殁年83岁。

虽然钟表法比月距法优越,但由于当时高精度航海钟生产成本高,每块高达几百英镑,而且带一块儿还不行,半路上万一坏了怎么办?带两块也不行,俩表指示的时间不一致你听谁的?起码得三块,少数服从多数嘛。这下一两千英镑就花出去了,相比之下月距法只需要一本航海用天文年历,加上一架六分仪也不过20英镑,而且在马斯基林的努力下,计算时间也压缩到了半个小时。再加上有人极力鼓噪什么“天体的位置是上帝的钟表,人类制造的钟表无法与之相比”,就像现在有人为了反对转基因食品就宣传有机食品“纯天然绿色无公害”一样。所以在很长时间内罂国航海者还是更喜欢用月距法。直到后来航海表的成本下降到每台80到65英镑甚至更低,每艘船都可以多带几块以备互相校验,月距法才慢慢退出了历史舞台。

③电波指路

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无线电罗盘

1903年,一种新型交通工具问世了,它就是飞机。这种可在空中高速运动的机器给人们带来新鲜刺激的挑战,也给导航带来了新的问题。最开始飞行员们和早期航海者一样采用目视地标导航,在缺乏明显地貌特征的地方采用航迹推测导航,不过飞行员们很快就发现了一种新的导航方式:无线电导航

早在19世纪末,人类就开始尝试利用电磁波进行无线通信,意大利人马可尼、美国人特斯拉(你没看错,就是那个特斯拉)、俄国人波波夫等各自对此做出了独立的贡献。到20世纪20年代,大功率无线电电台已经遍地开花了,在飞行员眼里,这些无线电广播信号发射源就像航海家眼里的灯塔一样,能够给他们指示必要的方向。到了1932年,专用的无线电罗盘已经设计并安装在飞机上了,它能够测量无线电台(无线电信标)相对飞机的方位角,综合多个电台的方位角就可以在航空地图上标出飞机的位置了。

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航空地图

随着航空无线电技术的发展,在第二次世界大战前后,出现了第一代专用无线电导航系统:伏尔导航系统(VHF Omnidirectional Range,VOR),到1950年这一系统被规定为国际标准民用导航系统。它的意义是把无线电导航台所用的频率和工作方式进行了标准化,从而简化了机载无线电设备的设计。该系统2010年之后已经逐步退出使用。

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塔康地面导航台实物

1952年出现了塔康导航系统(TACAN,Tactical Air Navigation System的缩写,直译为:战术空中导航系统),它由机上发射与接收设备、显示器和地面专用导航台组成,测向原理和伏尔导航系统类似,但具备标准化了的测距功能,机载设备向地面导航台发出一系列询问脉冲,地面台收到后返回同样间隔的应答脉冲,机载设备根据发射和收到的时间差再乘以光速就可以算出与导航台的距离。

无线电导航技术在航空领域的成功应用也刺激了航海界对这种技术的兴趣。当然,电磁波在地表传播的方式与空中传播有很大的不同,所以无线电航海导航系统根据不同用户的需要,先后发展出不同的系统,其中比较成功的有:台卡导航系统(Decca,工作范围约500千米,适用于近海,一直运行到上世纪90年代)、罗兰导航系统(LORAN,Long Range Navigation,航空航海两用,目前常用的是罗兰C,工作区范围约1850千米)和欧米伽导航系统(OMEGA,覆盖全球,定位精度白天较高,为1.85到3.70千米之间;夜间稍差,为3.70到7.40千米之间)。

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各种导航方式的精度比较

众所周知,我国电子工业基础极为薄弱,尽管如此,从上世纪60年代开始,我国科研人员想尽办法克服困难,努力建设类似于美国“罗兰-A”导航系统的“长河一号”无线电导航系统,这套系统包括10个导航台,覆盖我国沿海1000千米范围,1969年开始对国内外用户开放,一直运行到1998年10月关闭。70年代我国科研人员又瞄准国际先进水平,开始建设类似于美国“罗兰-C”的中远程导航系统“长河二号”,由于种种原因,长河二号到1993年才建成,共包括三个台链6个发射台,覆盖我国黄海、东海和南海等海域。此外,我国从1973年开始也研制了类似台卡导航系统的“长河三号”,以及海军专用的“长河四号”长波导航系统(用途你懂的)。

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长河一号导航台发射机房

这些无线电导航系统的成功研制,为我国日后开展卫星导航工作打下了坚实的基础。不仅如此,长河二号导航台经过改造,还可以配合我国的导航卫星系统进行差分增强,可以大幅度提高定位的精确度。

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50年代麻省理工学院研制的惯性导航设备核心部件

上世纪40年代,在天空中出现了另一种飞行器:导弹。纳粹德国工程师开发的V2型弹道导弹长约14米,外形像个铅笔,靠火箭发动机驱动,最大飞行速度达到4.8倍音速,是飞机望尘莫及的。和其他航空器一样,导弹也需要导航系统,而且由于是无人驾驶的,它更依赖导航系统。冯·布劳恩为他设计的V2导弹开发了一种新型导航系统——惯性导航系统。惯性导航的原理比较简单,和早期航海家使用的航迹推测导航方式类似,它使用两个陀螺仪时刻检测导弹的飞行方向,同时用一个加速度计时刻测量导弹的加速度,然后就可以计算出导弹相对于出发地的速度和运动轨迹。

由于惯性导航不依赖外界信息输入,抗干扰性能优越,所以到现在为止,大部分弹道导弹都采用这种导航方式,或者是以这种导航方式为主。它的缺点也很明显,那就是随着时间的推移,累积误差会越来越大。因此现代弹道导弹会用别的导航方式来修正或辅助惯性导航。

1957年10月4日苏联发射了第一颗人造地球卫星——“伴星一号”(俄语为Спутник,罗马化转写为Sputnik,意思是“卫星”,曾音译为“斯普塔尼克”),人类开始进入太空时代,随后就发生了以登陆月球为目标的美苏登月竞赛。运载火箭和卫星本身当然也需要导航定位,特别是登月飞船,离开导航技术简直寸步难行。最开始的时候,卫星或飞船需要地面使用雷达来跟踪和定位,在阿波罗计划实施的时候,为了简化船载无线电设备的设计,美国NASA的通信工程师决定用一个集成的通信、跟踪系统来实现地面与阿波罗飞船的通信、遥测和测距功能,这个系统后来被命名为“统一S波段”系统。它时时刻刻向飞船发射信号,这个信号里包含了测距码,飞船收到信号后,会把测距码再发射回地面,地面根据发射和接收之间的时间差计算飞船的距离,定位精度约15米。

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阿波罗登月舱内使用的部分无线电设备

当时美苏之间关系非常微妙,美国人担心苏联人会干扰他们与阿波罗飞船之间的无线电信号,因此飞船上还装备了一套备用的惯性导航设备。此外,宇航员们还接受了使用六分仪进行天文导航的培训,并且在太空里反复练习了这些技能,简直就像回到了大航海时代

④天上灯塔

苏联第一颗人造卫星在天上转悠的时候,美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的科学家尝试跟踪这颗卫星发射的无线电信号,他们在接收的信号中发现了多普勒频移效应:当卫星飞近地面接收机时,它发出的无线电信号的频率升高;而当它远离地面接收机时,信号的频率会下降。

这种效应最早是1842年由奥地利物理学家多普勒发现的,广泛存在于自然界。美国人意识到,知道了地面站的位置可以通过这种效应推算出卫星的轨道,反过来如果知道卫星的精确轨道,也可以利用这种效应计算出地面接收站的位置。2014年3月8日失踪的马航MH370航班最后航迹,就是国际海事卫星组织(INMARSAT)应用这一思路分析出来的。

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海事卫星组织分析MH370最后轨迹

由于五六十年代还没有能够覆盖全球的陆基无线电导航系统,美国海军认为如果要为它在大洋深处活动的核潜艇提供有效的导航,唯一的办法就是把无线电导航台搬上能够环绕地球飞行的卫星。于是美国海军在1958年与约翰·霍普金斯大学应用物理实验室签署了一份合作协议,由后者为美国海军开发导航卫星。1960年4月,美国成功发射了世界上第一颗实验性的导航卫星:子午仪(Transit)1B,此后于1967年7月建成“子午仪”卫星导航系统,并开放民用。整个系统由6颗卫星组成,均匀分布在6个倾角为89°-90°的轨道平面上,以150MHz和400MHz两个频率向地面广播导航信号,用户每90分钟可以利用卫星定位一次,计算耗时8-10分钟,定位精度跟接收机工作方式有关,单频的约80到100米左右,双频的可提高至15到25米。

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火箭整流罩内的子午仪导航卫星

尝到甜头的美国人于1973年开始研制另一套卫星导航系统,它就是日后大名鼎鼎的GPS(Global Position System,全球导航系统)。GPS的定位原理和子午仪系统不同,从而能够解决子午仪系统存在的各种严重缺陷:GPS卫星不停地向地球广播带测距码的无线电导航信号,接收机收到导航信号后,可以从中得知信号从卫星到接收机走过的时间,据此可以计算出它与导航卫星的距离。

通常在GPS卫星覆盖范围内任何地点任何时候都能同时收到4颗以上的GPS卫星导航信号,以每颗卫星为球心,以它到接收机的距离为半径,可以画一个大球体,这些球体的交点只有一个,那就是接收机所在的位置,因此接收机内置的计算机程序可以轻松计算出这个位置的精确坐标,误差根据导航信号为军用或民用有所区别,军用的定位精度在1米以内,而民用的在10米左右(2000年以前由于美国政府加以限制,民用信号的精度在100米左右)。

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三球交会定位原理图

GPS系统的导航卫星从1989年开始发射,到1994年全部发射完毕,它由24颗卫星(21颗工作,3颗备用)组成,均匀分布在6个轨道倾角为55°的轨道面上。还在没有完全建成的1991年,它就因为在海湾战争中的作用而名声大噪。2004年,用于手机的GPS芯片问世,此后GPS迅速普及,以至于它成了卫星导航和定位的代名词。从2010年开始,美国重新调整了GPS的卫星数量和分布,把工作卫星的数量调整为27颗,这使地球上任意时刻任意位置能同时看到的GPS卫星的数目达到了不低于8颗,从而大大改善了导航设备的精度和性能。

美国的老对手苏联在1976年也开始建设全球导航卫星系统——格洛纳斯(GLONASS),1982年开始发射第一颗导航卫星,原定计划发射24颗,分布在轨道倾角为64.8°的三个轨道面上,1995年系统初步建成,但由于苏联解体,加上该项目耗资巨大,所以随着卫星一颗颗到达设计寿命而退役,到后来整个系统只剩6颗工作卫星了。从2001年开始俄国人咬着牙给这个导航系统补充卫星,到2010年终于补齐了全球导航所需的24颗卫星。和GPS不同的是,格洛纳斯更偏重于高纬度地区的导航定位,这与俄国大部分国土位于中高纬度地区有关。

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俄国最新型号的“格洛纳斯”导航卫星,信号兼容GPS导航信号

由于担心美国人垄断卫星导航市场,并有可能干扰和关闭特定区域的GPS导航信号,因此欧洲国家决定联合起来搞一个自己的全球导航卫星系统,他们叫它“伽利略”。2002年欧盟15国交通部长会议决定启动这个计划。按照计划,伽利略系统由30颗卫星组成(27颗工作,3颗备用),分布在轨道倾角为56°的三个轨道面上,从2006年开始部署,到2008年就发射完毕,建成后能够提供免费的1米精度和付费的1厘米精度服务。

2003年9月,中国应邀参加了“伽利略”计划,并投资2.3亿欧元,但随后由于政治形势变化,中国在该项目中处处受到排斥,因此于2006年愤而退出该计划。之后伽利略计划就命运多舛了,正式的工作卫星初次发射从2006年一直推到2011年,直到2020年2月,在轨卫星数目也只有22颗,而且2019年7月还出现过一次全部卫星服务中断的大Bug。

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伽利略导航卫星

中国搞导航卫星的历史,最早可以追溯到1967年。这一年人民海军提出来要搞导航卫星的建议,而当时中国甚至还没有成功发射人造卫星。这个项目代号“691工程”,又称“灯塔一号”计划,定位原理类似于美国当时在搞的“子午仪”,1970年完成论证,1972年到1979年,完成了第一批样星的模装和试验,但未及发射,就于1980年下马了,原因未知。

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已故无线电专家陈芳允

1983年,无线电专家陈芳允提出用两颗地球同步轨道卫星来测定地面和空中目标的设想,这成为“北斗一号”双星导航系统的理论基础。这个方案最大的优点就是省钱,但由于种种原因,直到1994年1月国家才将其立项。由于经费不足,北斗一号所要发射的卫星,不得不占用别的卫星计划里的备份星指标。2000年10月,北斗一号导航系统首颗卫星送入轨道,12月21日,第二颗卫星入轨,系统建成(2003年5月发射了一颗备份星,2007年2月发射了一颗接续卫星)。从北斗到“北斗”——人类导航定位简史

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双星定位原理图

北斗一号属于有源定位,即需要地面接收设备主动向卫星发出信号,它的工作流程大体上是这样的:

1、地面中心控制站向两颗卫星发出测距信号,卫星收到后将信号放大,然后向服务区域广播;

2、位于服务区的接收机收到卫星发送的测距信号后,向卫星发出应答信号,这个信号经卫星中转后,发送到地面中心站;

3、地面中心站收到接收机的应答信号后,根据信号延迟时间,可以算出地面中心站-卫星-接收机的总距离,由于地面中心站与卫星的距离是已知的,则可以计算出卫星到接收机的距离;

4、两颗卫星可以得出两条距离数据,地面中心站用这两条数据在数字地图上搜索符合条件的地点的坐标,然后将其通过卫星转发给接收机。

需要解释一下最后一个步骤,我们以两个导航卫星为两个球心,以它们到接收机的距离为半径各画一个球体,由于这两个导航卫星直线距离(约42000千米)小于它们与接收机的距离之和(约为72000千米),所以这两个球体必然相交,相交后会形成一个大圆(术语叫交线圆),理论上讲,接收机在这个大圆的每个点上都有可能,那么北斗一号如何确定接收机是在那个点上呢?双星定位最有趣的地方就在于此,它隐含了第三个球体:地球。它假定接收机一直在地表,因此那个大圆必定与地表相交(有两个交点,一个在北半球,一个在南半球,导航系统的覆盖范围是北半球,所以直接排除南半球的那个交点),地面中心站只需要找到这个圆与地表相交的那个点就可以了。由于真实的地球并不是一个完美的椭球体,而是有一定起伏,所以实际应用中需要地面中心在数字地图中寻找交线圆真正与地表相交的那个点,当然这就需要地面中心站的数据库里有高分辨率高精度的地表海拔高程信息。

从北斗到“北斗”——人类导航定位简史

北斗一号需要从数字地图里查用户的位置

由于卫星与地面中心站和接收机之间存在交互通信,因此北斗一号也在导航定位之外提供了一项GPS等系统不具备的短报文服务,这个特色服务被后来的北斗系统继承了。

北斗一号的定位精度是100米左右,和早期的GPS民用信号精度差不多,但它有几个突出的问题,就是用户容量有限,不能测速,并且设备笨重。因此,只能说解决了有没有的问题,好用是谈不上的。2012年12月,北斗1号完成使命,正式退役。

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北斗二号卫星星下点轨迹图

红色为静止轨道卫星,画8字的是倾斜同步轨道卫星,绿色为中轨卫星。

可见该系统导航卫星主要集中在亚太地区。

中国第二代卫星导航系统起步于2004年。2007年发射了一颗试验星,2009年开始持续发射,到2012年10月陆续发射了16颗导航卫星,到这年年底建成由14颗工作卫星组成的亚太区域导航系统,它的星座方案很有中国特色:14颗工作卫星分三组,其中地球静止轨道5颗,倾斜同步轨道5颗,中轨卫星轨道4颗,另有6颗试验和备用导航卫星。这个方案是刚刚去世的许其凤院士主导设计的,为什么要用这种方案呢?一个重要的原因是:导航卫星需要地面站对其进行数据注入,全球导航卫星就需要全球布站,而我国不具备这个条件,只能在本国国土上布站,地球同步轨道和倾斜同步轨道上的卫星,在我国国土上可以实现80%的测控弧段,而中轨卫星轨道上的卫星,依托我国领土只能实现40%的观测弧段,所以中国卫星专家在北斗二号星座设计时就没有照抄GPS或者格洛纳斯的星座方案(他们都是用的单一中轨卫星轨道)。

北斗二号实现了亚太区域导航定位功能,它无源定位和有源通信卫星相结合,民用定位精度可达10米。可提供实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信等五项服务。

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北斗三号导航卫星

中国第三代卫星导航系统是在北斗二号的基础上发展起来的,取名为北斗三号。它的建设启动于2009年,从2015年起陆续发射了5颗北斗三号试验卫星,验证并突破了一些关键技术,此后从2017年11月开始到2020年6月,短短两年半时间密集发射了30颗工作卫星,其中地球静止轨道3颗,倾斜同步轨道3颗(倾角55°),中轨卫星轨道24颗(均匀分布在倾角为55°的三个轨道面上)。在全球范围内可以提供基本导航(定位、测速、授时)、全球短报文通信和国际搜救服务,民用定位精度优于10米,在亚太地区还可以提供区域短报文通信、星基增强和精密单点定位等服务,民用定位精度优于5米。

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北斗三号星座示意图

上文提到,我国只能在本国国土布站,那么是如何管理经常在境外飞行的那24颗中轨导航卫星呢?答案是中国科研人员开发了一项新技术:星座自主运行。简单说,就是这些导航卫星上都增加了一个通信模块,彼此之间能建立通信链路,这样就可以实现不出国门而管理在境外运行的导航卫星了。在此基础上,中国科研人员又实现卫星之间的双向精密测距,从而能够让导航卫星自主计算并修正卫星的轨道位置和时钟系统,即便地面站全部失效,这些导航卫星也能通过星间链路提供精准定位和授时,在一段时间内继续保证地面用户正常使用卫星的定位和导航服务。

目前在用的卫星导航系统,基本上都是无源测距:导航卫星不断广播导航信号,地面接收机收到信号后就可以计算出到卫星的距离,而无需向卫星发送任何信息。这和雷达测距的方式有很大的区别,雷达测距需要雷达向目标发出一个电磁波脉冲,然后等待目标把信号反射回来,根据发送和接收的时间差来计算目标距离。卫星导航是怎么做到无源测距的?奥秘在它们发送的导航信号里。

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接收机通过平移自己的信号来捕获卫星信号

导航卫星和接收机里面都各有一个时钟,卫星上的是精确度极高的原子钟,接收机里面的通常是廉价然而精度要差一些的石英钟。卫星和接收机都会在固定的时刻各自产生一个数据包,卫星上的数据包会通过无线电波广播到地球上,被接收机接收到,接收机收到数据包后,会把自己产生的那个数据包在时间上进行平移,来跟收到的包比对,对上之后就记录下平移的时间间隔,同时也会从卫星发来的数据包里解析出卫星发送数据包的时刻,平移的时间乘以光速就是卫星到接收机的伪距(Pseudo Range,之所以称其为伪距,是因为有一些系统性的时间误差没有修正)。通过锁定四颗导航卫星获得的四组伪距数据,通过解方程,就可以计算出真实的三维坐标和接收机与卫星上的时钟的钟差。

结语

回顾历史,人类对导航技术的需求和突破,往往是跟新的交通工具和交通方式诞生有关。目前的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,缩写为GNSS)能够适应和满足我们在地球表面和大气层内活动的需要,但这显然并不是人类活动范围的终点。目前人类已经向太阳系内发射了很多无人探测器,将来有一天也会发射有人的探测飞船,目前的卫星导航系统肯定是无法满足需求的。此外,总有一天我们会飞出太阳系,进行星际航行,到那时候,再利用以地球为基准的导航定位系统已经完全不合时宜了。因此,人类势必要发展新的导航系统,它会是什么样的呢?会利用什么原理呢?

目前认为,最有希望实现深空或星际航行导航技术的,是利用X射线脉冲星导航。2016年11月10日,中国空间技术研究院利用长征11号运载火箭发射了人类历史上第一颗“脉冲星导航试验卫星”,之后又利用我国第一颗X射线天文卫星“慧眼”(2017年6月发射)进行了相关的研究。2018年,美国国家航空宇航局(NASA)也宣布利用国际空间站上搭载的设备进行了首次实时的在轨脉冲星自主导航试验。X射线脉冲星导航技术还处在起步阶段,但我相信,中国人一定会在这个领域做出自己应有的贡献。

人类的导航定位技术,从北斗开始,经历了磁罗盘、天文导航、经纬度定位、无线电导航、惯性导航……最后复归“北斗”;从一开始利用自然界存在的天体,接着利用人造的钟表和无线电波,未来会重新利用自然天体,看似又回到了起点,但这并不是简单的重复,而是预示着人类更加灿烂和激动人心的未来。

飞蠓

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