全球導航衛星是如何拯救「路痴」的？

作者：張晟宇（中國科學院微小衛星創新研究院）

論語中說「父母在，不遠遊，遊必有方」，說的是年輕人可以出去闖天下，不過要有個明確的方向。

但是，作為一個路痴「明確方向」這樣困難的事情簡直就是要了命。

過去辨識方向的方法是有限的，看山看書看水是識別導航，看太陽，看星辰是天文導航。

我國古代還有個成語叫「斗轉星移」，雖然語義已經變成了時間的變化，其根源卻是古人用北極星和北斗七星的位置關係來判別方位時間的智慧。

所以咱們國家的全球導航系統便取了「北斗」這個名字，也算是頗有深意。

說起來，中國曾經一直在導航領域處於領先地位，中國人發明的指南針，通過地磁實現了方向的確定；在航海中利用「過洋牽星術」通過牽星板測量星辰高度從而獲得所處位置，而定位與制導正是導航的基本理念。

全球導航系統的出現、發展到全面應用，不但拯救了全世界的「路痴」，還帶來了難以估量的國民經濟發展的促進作用。

在整個人類的發展過程中，被廣泛使用的主要是天文導航的手段，尤其是在大航海時代，不管是七下西洋的鄭和船隊還是歐洲的航海家都發明了先進的天文導航儀器，或者找到了其他方法。

然而這種天文導航還是受到諸如天氣條件等不確定因素的影響，且並不是所有人都能熟練使用這些儀器的。

於是在人類的航天事業開始之後，利用人造衛星構建一個全球的導航系統的想法就應運而生了。

天然的星星不好用，就用人類自己造的星星唄！

人類的第一顆人造衛星上天以後，科學家利用多普勒頻移曲線（鳴著汽笛的火車迎面駛來，鳴笛聲的波長被壓縮，頻率變高，尖利刺耳；火車遠離，聲音波長就被拉長，頻率變低，聲音減緩低沉。）測算衛星所處的軌道位置。

於是就有人利用逆向的思維考慮，如果準確地知道衛星的軌道位置，就能通過測量衛星信號的多普勒頻移值來推算出地面的位置了。

在其後的短短几十年中，人們逐漸建設了包含我國北斗導航衛星系統在內的多套全球衛星導航系統，產生了深遠的影響和巨大的價值。

一般來說，我們生活中出門在外，首先要明確自己的位置，然後明確方向，選擇最佳的路徑，前往目的地。

導航衛星都是「廣播」衛星，不斷地用無線電波向大家報告自己的位置和時間，在地面上的導航用戶利用GPS接收機（譬如我們的手機）接收著來自這些衛星廣播信號。

接受者需要解算出的是自己所在時刻所處的位置，在一個3D的世界裡，位置使用三個量表示的，所以連上時間一起解算出來就需要四個方程才能求解出四個未知數。

所以說我們起碼要同時接收到4顆以上衛星的信號才有可能進行定位，實際情況當然是多多益善啦~所以要實現全球的定位就需要足夠多的衛星來提供定位信息。

要實現全球的導航，就需要一個覆蓋全球的衛星星座，而這個衛星星座的主流四大系統都選擇了中高軌道（MEO）來部署導航星座。

正是利用了MEO，我們可以使用20多顆到30顆左右的衛星來實現全球的廣播信號覆蓋，同時也因為MEO軌道發射費用低於地球同步軌道，系統實現的成本也比較低。

由於所有的信號都是以光速傳播的電磁波，所以時間的準確性就尤其的重要，也就是說，每顆衛星帶在身邊的「表」要非常地准，1ns（一秒的10億分之一）的時間誤差都會帶來0.3m的位置誤差。

星上攜帶的鐘要很准，要達到1000年只能差1s的水平，運行中由國家授時中心提供時間基準，實現統一的時間。

時間精度保證了，解方程不是還有衛星的位置嗎？

那是當然。

所有衛星的位置通過準確的測算形成衛星的軌道星曆，衛星在廣播的時候就會廣播這個位置信息，地面的接收機就可以依據這些信息來計算衛星在特定時刻的準確的位置了。

全球衛星導航系統是一個非常複雜是系統，在系統的運行過程中還有很多因素在影響著系統的定位精度。

例如衛星在廣播的過程中要穿過大氣層中的電離層和對流層造成電磁波的時延、信號在傳播路徑上收到遮擋（高樓，高山等）、被障礙物折射的信號造成的多路徑誤差等等。

於是又應運而生了導航增強技術，比如在差分技術，通過一個測站來校正接收機的測量誤差，從而實現較好的定位精度。

全球衛星導航系統不但可以服務于軍事，為國民生產提供時間、位置信息（大型工程建設的測繪、支持全面的物聯網物流信息），還實現便民服務（例如幫助我們找路），以及更多其他的應用。

例如，由於衛星導航使用的是L波段的信號進行廣播的，我們可以利用GNSS信號經過地面的反射後重新測量，從而領用土壤水分對L波段的吸收特性來進行土壤濕度的監測。

另外，我們也可以通過測量GNSS經過大氣傳播衰減後的信號來反演出氣象數據從而獲得大氣的溫度、壓力和濕度值。使得構建更加有效的天氣預報系統成為可能。

當然應用不止於此，正所謂腦洞越大，世界越大。

2020年，我們國家將建設完成覆蓋全球的衛星定位導航系統北斗。並牽引一個龐大的民用產業鏈的形成。

中國的北斗系統在系統的兼容性，精準定位，授時以及通信服務方面都具備很多優勢，我國的衛星導航產業已經進入了一個高速發展期。

中國科學院在北斗衛星系統和應用系統的建設過程中，發揮自己的優勢和特長，從單項技術突破到衛星研製以及地面應用設備等方面都做出的貢獻，相信在未來的發展中還會發揮更大的作用。

有導航也找不到路的你，還是不要掙扎了/捂臉

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！