衛星導航技術是怎么發展起來的？背后故事真不少！

（文章來源《院士講科學》，該書由《知識就是力量》雜志社總策劃，科學普及出版社出版）

專家：譚述森，衛星導航系統總體設計專家，中國工程院院士。長期從事大地測量裝備和衛星導航系統設計論證與應用研究，任“北斗”衛星導航系統工程副總設計師

現代社會，衛星導航系統已經是人們長途出行不可或缺的工具，在搶險救災、軍事指揮、精準農業等領域，也發揮著重要的價值。不過你知道衛星導航技術一開始是怎么發現的嗎？

在進入航天時代之前的漫長時間里，人類已經發展出了很多種導航的方式，比如利用日月星辰等自然天體導航，可以在野外和大海上不至于迷失方向。航海領域使用的六分儀，就是通過測量自然天體與海平面的夾角，推算出船只所在的經緯度。在航空時代的早期，一些飛機（特別是水上飛機）也配備了六分儀，在無線電導航尚不完善的時代，讓遠程航線上的飛機不至于迷航。

無線電技術完善之后，無線電導航流行起來，提供了比使用自然天體導航更高的精度。但無線電導航也有其劣勢，那就是受制于地球曲率而無法覆蓋全球。所以，人類迫切需要一種人造天體來兼顧這兩類已有導航方式的優勢。人造衛星就提供了這樣的可能性。

衛星導航原理是這么發現的

1957年10月4日，蘇聯將世界上第一顆人造衛星斯普泰尼克一號送入太空，開啟了人類的航天時代。美國對蘇聯首先掌握航天發射技術深感震驚，在跟蹤這顆衛星的過程中，美國霍普斯金應用物理實驗室的科研人員無意中發現，收到的無線電信號會出現多普勒頻率轉移效應，也就是衛星飛近地面接收機時，收到的信號頻率會逐漸升高；而飛過以后，頻率就逐漸降低。

這種現象使美國科研人員認識到，衛星的運行軌跡可以由衛星通過時，人們所測得的多普勒頻移曲線來確定。相反，根據同樣的原理，如果人們知道了衛星的精確軌跡，就能夠確定接收機的位置。這一有趣的發現，成為衛星日后運用于導航服務的技術基礎。

衛星導航系統的發展

從1958年開始，美國為解決“北極星”核潛艇在深海航行和執行軍事任務時需要精確定位的問題，開始研制軍用導航衛星系統。1964年，這套被命名為“子午儀”的衛星導航系統竣工并為美國海軍所用，1967年又開放民用導航服務。直到1996年，隨著GPS竣工，“子午儀”方才退出歷史舞臺。

“子午儀”的導航原理，就是使用衛星移動所產生的多普勒頻移。在每一個偶數的分鐘（每小時整點和第2分鐘、第4分鐘、第6分鐘……依次類推）開始的時候，衛星會播發一組軌道參數信息。衛星以一定的速度環繞地球運轉，因此與地面用戶的接收設備存在相對運動。接收設備測量衛星信號的多普勒頻移，再據此經過一系列復雜的運算和修正，得出位于地球表面的用戶（比如某一艘船）的位置。但這樣的系統設計也有其缺點，那就是不能做連續定位。

在美國之后，蘇聯也在20世紀70年代開始建造“格洛納斯”衛星導航系統。但因為蘇聯的衛星和電子產品設計水平與美國存在差距，航天發射系統也不夠可靠，所以“格洛納斯”的衛星壽命和建造速度都遠遠不如美國。時至今日，“格洛納斯”衛星導航系統的工作仍然不穩定，一部分早年發射的衛星已經損壞。能夠接收“格洛納斯”信號的設備，也因為如今俄羅斯電子工業水平較低，而往往過于笨重。

而美國1994年建成“全球定位系統”（GPS），如今已經成為衛星導航系統的代名詞。GPS由24顆衛星組成，也就是21顆“工作星”和3顆“備用星”。它們工作在互成60度的6條軌道上，確保全球任何地方、任何時間，都可觀測到4顆以上的衛星。

GPS導航系統的基本原理，是測量出至少4顆已知位置的衛星到用戶終端（接收機）之間的距離。這些數據可以測定地球表面的一個確定的點，從而知曉用戶的具體位置。

相信在未來，更高的導航精度，以及更多樣化的功能的衛星導航系統會發展起來，我們的生活會越來越便利！