（專家：余宜珂，中國科學(xué)院國家天文臺、華中科技大學(xué)博士，科普中國微平臺原創(chuàng)首發(fā)）

科學(xué)家對敵方衛(wèi)星的跟蹤研究開啟了人類探索未知地球的新篇章——衛(wèi)星導(dǎo)航。六十年風(fēng)云變幻，各國政治、軍事、科技力量爭相競逐，以GPS、北斗、格洛納斯、伽利略為代表的衛(wèi)星定位系統(tǒng)各顯神通，而以CAPS為代表的新興系統(tǒng)亦為這個(gè)家族增添了智慧的血液。無邊的大海、無垠的沙漠之于人類不再是浩瀚無邊的迷宮，精準(zhǔn)打擊、無人駕駛，這些一個(gè)世紀(jì)前的科幻故事在衛(wèi)星定位系統(tǒng)的幫助下成為人類活生生的現(xiàn)實(shí)……衛(wèi)星定位，蒼天有眼！

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衛(wèi)星定位緣起及原理

1957年美國約翰霍普金斯大學(xué)科學(xué)家William和Gorge在對蘇聯(lián)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤研究時(shí)發(fā)現(xiàn)了這樣一個(gè)現(xiàn)象，那就是這顆衛(wèi)星的頻率出現(xiàn)了偏移，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)是相對運(yùn)動引起的多普勒頻移效應(yīng)。

威廉和喬治發(fā)現(xiàn)，如果在地面上架設(shè)多部接收機(jī)，就可以根據(jù)接收到的信號的不同頻差推算出這個(gè)衛(wèi)星的具體位置，他們很高興地把這個(gè)研究成果告訴了實(shí)驗(yàn)室主任弗蘭克，說他們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對蘇聯(lián)衛(wèi)星的多普勒定位跟蹤。

弗蘭克教授當(dāng)時(shí)在做海軍的一項(xiàng)研究，研究內(nèi)容是五角大樓如何知道茫茫大海中軍艦的具體位置，聽到兩位科學(xué)家的匯報(bào)后他眼前一亮，既然你們能夠發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星在哪里，如果把問題反過來，衛(wèi)星就能發(fā)現(xiàn)你們在哪里，海軍軍艦定位的問題迎刃而解，GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）系統(tǒng)就此啟動！

理論上，一束電波從A點(diǎn)射向B點(diǎn)，用時(shí)t秒，假設(shè)光速為c，則t與c之積t*c便是A、B兩點(diǎn)間的距離，沒錯(cuò)，這就是衛(wèi)星定位的基本原理。然而實(shí)際中，由于大氣密度不均、電離層干擾等原因，使得單點(diǎn)定位往往存在較大的誤差，所以在工程實(shí)際中，人們通常用多顆衛(wèi)星發(fā)射信號，對一點(diǎn)進(jìn)行定位測量，這樣做的目的在于通過構(gòu)建方程組消除誤差。

衛(wèi)星定位系統(tǒng)的應(yīng)用

首先，衛(wèi)星定位系統(tǒng)最直接的作用在于測量，即測量地球上任意一點(diǎn)的經(jīng)緯度，故而定位、導(dǎo)航則是其首要用途。人們在野外探測、航海中，衛(wèi)星定位系統(tǒng)相對于指南針羅盤，定位效果更精確可靠，例如發(fā)生海難時(shí)，救援船只可以通過衛(wèi)星定位系統(tǒng)提供的精確的經(jīng)緯數(shù)據(jù)找到遇險(xiǎn)船只。同時(shí)，精確的定位給了現(xiàn)代軍事以針對目標(biāo)精確打擊的可能性，2004年，以色列先后采用精確打擊技術(shù)消滅了哈馬斯連續(xù)兩任精神領(lǐng)袖——亞辛和蘭提斯，精確打擊技術(shù)使得戰(zhàn)爭對目標(biāo)以外的物體所造成的傷害最小化。

其次，授時(shí)，即提供精確時(shí)間，亦是衛(wèi)星定位系統(tǒng)的重要應(yīng)用，原因在于導(dǎo)航衛(wèi)星內(nèi)部的高精度原子鐘，這種原子鐘可以精確到什么水平呢？現(xiàn)有GPS導(dǎo)航衛(wèi)星的銫原子鐘能把8000萬年的誤差控制在1秒內(nèi)！高精度的時(shí)間服務(wù)為金融系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、以及軍事提供了有效保障。

 

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四足鼎立的格局

從威廉、喬治以及弗蘭克的靈光閃現(xiàn)到今天，人類衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展到今天已有整整六十載，除有效服務(wù)民用之外，其軍事、以及國家戰(zhàn)略價(jià)值更是使得衛(wèi)星定位系統(tǒng)成為主要國家布局之重器。

目前，除美國的GPS之外，歐洲的伽利略系統(tǒng)，俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)，以及中國的北斗系統(tǒng)亦扮演者舉足輕重的作用，衛(wèi)星定位領(lǐng)域四巨頭鼎立格局基本形成。

值得一提的是，從2000年第一顆衛(wèi)星發(fā)射至今，中國已發(fā)射23顆北斗衛(wèi)星。服務(wù)領(lǐng)域涵蓋交通、海運(yùn)、氣象等民用及軍事領(lǐng)域，同時(shí)相比其他三大系統(tǒng)，北斗在段報(bào)文通信、定位等方面優(yōu)勢顯著。目前，系統(tǒng)服務(wù)范圍已延伸至東南亞，隨著系統(tǒng)的不斷完善以及中國“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施，相信北斗系統(tǒng)將會在更大范圍承載中國的大國影響力。

CAPS——天文學(xué)家的神來之筆

2002年的初冬，一道靈光打破了著名太陽物理學(xué)家、時(shí)任中國科學(xué)院國家天文臺臺長艾國祥院士原本按部就班的工作：如果能利用太空退役衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器作為一面“鏡子”，從地面發(fā)射電波信號，則同樣能實(shí)現(xiàn)對地面坐標(biāo)的定位導(dǎo)航！而同時(shí)被這道靈光打破的是此后世界衛(wèi)星定位系統(tǒng)的格局，CAPS（中國區(qū)域衛(wèi)星定位系統(tǒng)）應(yīng)運(yùn)而生。

CAPS系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于“雙重節(jié)約”：第一，人類既能避免單獨(dú)發(fā)射成本高昂導(dǎo)航衛(wèi)星，又能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號的發(fā)射；第二，退役通信衛(wèi)星以導(dǎo)航衛(wèi)星的身份繼續(xù)服役，是“廢物再利用”，亦節(jié)省了至為寶貴的空間軌道資源。

十多年的發(fā)展至今，在艾國祥院士以及其他中國天文學(xué)家的共同努力下，CAPS系統(tǒng)已經(jīng)做到了對中國區(qū)域的全境覆蓋，同時(shí)亦不斷將覆蓋面積向外延伸，該系統(tǒng)目前作為中國衛(wèi)星定位系統(tǒng)的重要組成部分，在軍事科技領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。更為重要的是，這個(gè)天文學(xué)家的神來之筆給了衛(wèi)星定位領(lǐng)域一個(gè)全新的靈感，未來衛(wèi)星定位系統(tǒng)的成本或?qū)O大降低，同時(shí)珍貴的太空資源或?qū)⑦M(jìn)一步得到充分利用。

展望未來

六十年風(fēng)云變幻，幾代精英前赴后繼，科學(xué)家的靈感已然凝結(jié)成浩瀚的系統(tǒng)，服務(wù)于普通人的生活，例如我們使用的百度地圖等位置服務(wù)應(yīng)用便是基于衛(wèi)星定位。而從產(chǎn)業(yè)的角度，單北斗一個(gè)系統(tǒng)，到2020年產(chǎn)值便可突破4000億人民幣。更優(yōu)良的位置服務(wù)、多系統(tǒng)的融合、與人工智能的結(jié)合將是未來衛(wèi)星定位系統(tǒng)等發(fā)展方向，同時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)用將向農(nóng)業(yè)、金融等領(lǐng)域進(jìn)一步拓寬。此外，以CAPS為代表的新興系統(tǒng)將為這個(gè)高大上的領(lǐng)域帶來進(jìn)一步的成本降低，使得衛(wèi)星定位技術(shù)真正親民的服務(wù)于民！

 

編輯：趙翠  魯凡英