導(dǎo)航衛(wèi)星
導(dǎo)航衛(wèi)星(navigation satellite):從衛(wèi)星上連續(xù)發(fā)射無線電信號,為地面、海洋、空中和空間用戶導(dǎo)航定位的人造地球衛(wèi)星。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間部分。導(dǎo)航衛(wèi)星裝有專用的無線電導(dǎo)航設(shè)備,用戶接收導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)來的無線電導(dǎo)航信號,通過時間測距或多普勒測速分別獲得用戶相對于衛(wèi)星的距離或距離變化率等導(dǎo)航參數(shù),并根據(jù)衛(wèi)星發(fā)送的時間、軌道參數(shù),求出在定位瞬間衛(wèi)星的實時位置坐標,從而定出用戶的地理位置坐標(二維或三維坐標)和速度矢量分量。由數(shù)顆導(dǎo)航衛(wèi)星構(gòu)成導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)(導(dǎo)航星座),具有全球和近地空間的立體覆蓋能力,實現(xiàn)全球無線電導(dǎo)航。導(dǎo)航衛(wèi)星按是否接收用戶信號分為主動式導(dǎo)航衛(wèi)星和被動式導(dǎo)航衛(wèi)星;按導(dǎo)航方法分為多普勒測速導(dǎo)航衛(wèi)星和時差測距導(dǎo)航衛(wèi)星;按軌道分為低軌道導(dǎo)航衛(wèi)星、中高軌道導(dǎo)航衛(wèi)星、地球同步軌道導(dǎo)航衛(wèi)星。世界四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)、前蘇聯(lián)/俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS )、歐洲航天局的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)和中國的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)。1960年 4月美國發(fā)射了第一顆導(dǎo)航衛(wèi)星子午儀1B。此后,美國、蘇聯(lián)先后發(fā)射了子午儀宇宙導(dǎo)航衛(wèi)星系列。通過國際間合作還發(fā)射了具有定位能力的民用交通管制和搜索營救衛(wèi)星系列。美國全球定位系統(tǒng)(GPS)和蘇聯(lián)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS )是以衛(wèi)星星座作為空間部分的全球全天候?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)。GPS采用18顆工作星和3顆備份星組成GPS空間星座。GLONASS采用24顆工作星和3顆備份星組成GLONASS空間星座。(圖為伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)模擬圖)目前我國也有了自己導(dǎo)航衛(wèi)星“北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)”,是區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng),英文縮寫CNSS。它是繼美國的GPS、俄羅斯的CLONASS之后的第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。那么,導(dǎo)航衛(wèi)星是怎么發(fā)展起來的呢?說起指南針,人們是很熟悉的。它作為我國古代勞動人民的四大發(fā)明之一,不僅幫助我國古代人民遠涉重洋同世界各國人民架起了友誼的橋梁,而且對世界文明的發(fā)展作出了貢獻。指南針的奧秘在哪里呢?原來,所有磁體都具“同極性相斥、異極性相吸”的特性,而地球本身就是一個大磁體,這個大磁體和小磁針由于“同性相斥,異性相吸”,磁針的南極總是指向地球的北極,即指向南方。指南針成了人類導(dǎo)航的工具。根據(jù)指南針的原理做成的船舶導(dǎo)航儀器就叫羅盤(磁羅盤)。把一根磁棒用支架水平支撐起來,上面固定著一個從0度到360 度的刻盤,再用一航向標線代表船舶的縱軸,這就是一個簡單的磁羅盤??潭缺P上的零度與航向標線之間的夾角叫作航向角,表示船舶以地磁極為基準的方向。這樣,在茫茫大海中航行的船舶,可根據(jù)夾角的大小判斷出航行的方向。但是,由于地磁場分布不均,常使磁羅盤產(chǎn)生較大的誤差。20 世紀初無線電技術(shù)的興起,給導(dǎo)航技術(shù)帶來了根本性的變革。人們開始采用無線電導(dǎo)航儀代替古老的磁羅盤。由于無線電波不受天氣好壞的影響,它在白天夜里都可以傳播,所以信號的收、發(fā)可以全天候。用無線電導(dǎo)航的作用距離可達幾千公里,并且精度比磁羅盤高,因此被廣泛使用。但是,無線電波在大氣中傳播幾千公里過程中,受電離層折射和地球表面反射的干擾較大,所以,它的精度還不是很理想。當今,每天都有數(shù)以百計的船舶航行在茫茫的海洋里。不幸的是全世界大型輪船中,每年都有幾百艘在海上遇險。其中有半數(shù)事故是由于航行原因造成的,使世界商船隊里每年都有幾十艘船沉沒!最常見的一種事故就是擱淺。它在沉沒的船只中,所占比例比較大。例如,從1969年至1973年間,由于擱淺造成了4000艘船的不幸,其中218艘船已完全報廢。另一種航海事故是碰撞,特別是海岸附近、窄水道區(qū)和港口通道上,更容易發(fā)生,當然,這與船只不斷增加也有關(guān)。例如,通過英吉利海峽的艦船,一晝夜就有400~500艘,由于晝夜或濃霧中航行,船只碰撞的危險時刻存在,難怪海員們說這里是危險的航道。雖然航海技術(shù)和設(shè)備在不斷完善,但仍不能滿足今大的要求?,F(xiàn)在航道上出現(xiàn)的差錯,不僅給船只和乘員帶來巨大的危險,而且常常給周圍環(huán)境、海洋中的動物世界帶來巨大的危害。從超級油輪上流出的石油,有時把沿海幾公里的水面都給蓋住了,并引起幾千種海洋動物和鳥類的死亡……正因為如此,人們請求衛(wèi)星來幫忙。1958年初,美國科學(xué)家在跟蹤第一顆人造地球衛(wèi)星時,無意中發(fā)現(xiàn)收到的無線電信號有多普勒效應(yīng),即衛(wèi)星飛近地面接收機時,收到的無線電信號頻率逐漸升高;衛(wèi)星遠離后,頻率就變低。這一有趣的發(fā)現(xiàn),揭開了人類利用人造地球衛(wèi)星進行導(dǎo)航定位的新紀元。衛(wèi)星定位導(dǎo)航,是由地面物體通過無線電信號溝通自己與衛(wèi)星之間的距離,再用距離變化率計算出自己在地球或空間的位置,進而確定自己的航向。這種設(shè)在天上的無線電導(dǎo)航臺,就是現(xiàn)在的導(dǎo)航衛(wèi)星,也可以說是當今的“羅盤”。目前已有不少國家利用人造地球衛(wèi)星導(dǎo)航。這種導(dǎo)航方法的優(yōu)點主要是:可以為全球船舶、飛機等指明方向,導(dǎo)航范圍遍及世界各個角落;可全天候?qū)Ш?,在任何惡劣的氣象條件下,晝夜均可利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為船舶指明航向;導(dǎo)航精度遠比磁羅盤高,誤差只有幾十米;操作自動化程度高,不必使用任何地圖即可直接讀出經(jīng)、緯度;導(dǎo)航設(shè)備小,很適宜在艦船上安裝使用。于是,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)運而生了。