【航天甲子年50讲】 22 导航卫星发展史



文:晟宇(视频讲解)

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前言


导航卫星的出现,非常深刻地改变了我们今天的生活,从最早的军事领域逐步覆盖了我们生活中和空间时间有关的各方各面。


可以说导航卫星系统也可以作为人类的一大奇迹,其价值高度甚至可以说超过了载人航天和登月,切切实实地改变着我们的生活方式。


对于一个国家来说,导航系统更是具有极高的战略性高度,以美国为例。美国经历了几次抵消战略,第一次抵消的代表是核能力,实现巨大的打击能力,而第二次抵消的代表就是具备了高精度制导能力的打击模式,这种不对称的巨大优势在第一次海湾战争中体现无疑,精准的打击完全抵消掉了过去对手那种依靠人数产生的优势。


这里导航卫星就扮演了最为核心的角色。



现代导航系统的探索


很多介绍导航系统的文章都会选择从航海或者更早时代的天文、惯性定位的历史开始介绍。我自己也写过一篇类似的文章。


本次我们就从现代的导航系统开始介绍。现代随着战争和航空航海的发展,对于更加精准和可靠的导航系统的需求变得越来越强烈。先后有罗兰C系统,一种远程双曲线无线电导航系统。罗兰C系统通过一个主台加上2个到3个副台,通过测量相位差来获得目标的位置,它的测量范围达到2000km,不过精度较差。


还有一个欧米伽导航系统,利用全球的8个站台实现全球覆盖的导航定位,只是定位精度还是公里量级。





卫星来了


随着苏联人把第一颗卫星送入太空,实际上卫星潜在的导航定位价值就已经浅现了。当科学家利用多普勒现象测量卫星位置的时候,突然来了灵感。既然可以用地面的站点来进行卫星的位置测量,那么如果把这些站点搬到天上去,反过来测量地面上的目标位置不是也可以嘛。


灵感虽然来得快,实现它的道路却是曲折而漫长的。首先还是需要有需求来做牵引吧。对于位置和方位信息很看重有有钱的是谁呢?答案显而易见,军方啊。尤其是海军和空军,尤其是有钱的美国海军和空军。


所以由美国牵引开始早起的导航卫星研究研制就是再自然不过的事情了。于是有了GPS全球定位系统的前身子午仪卫星系统Transit satellite。这个系统又叫海军导航卫星系统,从60年代开始一直到80年代的二十多年时间里发射了30多颗卫星,形成了对海面舰艇的潜艇的导航定位能力。



子午仪卫星运行在1100km左右的极轨轨道上,每个轨道面部署4到5颗卫星,所以我们可以知道这个系统并不能像今天的GPS系统一样提供实时的定位信息,它的覆盖间隔大概是90分钟,也就是每隔1个半小时才有机会进行一次定位。


当然子午仪卫星也存在一些其他的问题,一个定位精度有限,一个卫星寿命较短,所以可以说子午仪卫星并不是一个特别成功的系统,但是却为后来GPS系统的发展奠定了非常重要的技术基础。


全球定位系统GPS


如今我们还是在用GPS指代导航定位卫星,可见GPS系统的重要地位。其实在子午仪卫星的使用过程中,一方面发现了子午仪卫星的各种不足之处,一方面随着子午仪卫星的开发民用,所以看到了导航卫星存在的巨大潜在价值。所以从70年底早期开始美国就开始了一个全球全天时覆盖的导航定位系统的方案研究,并先后发射了4颗实验星。


在接下来的80年代,随着地面网的逐步建成,空间系统的技术迭代,通过多颗实验卫星验证出来的定位精度远超预期。于是GPS从1989年开始进入部署阶段。到93年,全球覆盖系统建成。




在海湾战争中,导航系统带来的巨大效能让全世界都震惊了。由此GPS系统以及成为了美军的核心设施。随着民用的开放,GPS在越来越多的领域发挥着巨大作用。


不但美军越来越重视GPS的发展,在不断地进行技术升级,持续更新换代,世界各国也都开始意识到不能对完全依靠美国提供的GPS服务。


纷纷开始了自己的导航卫星系统的研究。


GLONASS和GALILEO


当然这里最应该讲的是我们国家的北斗导航系统,不过晟宇觉得这个明显应该单独讲一期,所以就先介绍一下另外两个致力于构建全球覆盖的GLONASS和GALILEO了。






GLONASS只能说是一个命途多舛又峰回路转的系统,最早在苏联时期,和美国几乎有着同样诉求的苏联也致力与导航卫星系统的研究,并于70年代开始了GLONASS系统的论证和研制工作。


然而由于各种因素,无论是仪器的精度,电子器件的水平苏联都和美国拉开了不小的差距,使得GLONASS系统的效果并不是很理想。同时由于卫星的寿命都比较短,需要不断地补发卫星才能维持系统的正常运行。而苏联慢慢走向解体使得GLONASS长期处于降效运行。


直到俄罗斯政府重新意识到导航系统对于一个国家的重要性,重新投入大量的人力和物力使得GLONASS系统得以重新发展,构成一个独立于美国GPS的全球定位系统,算是垄断的打破者。







伽利略系统也是欧洲不甘于完全依赖美国的产物,然而参与者太多也是一个不小的问题。加上欧洲的某种精致主义的工程精神,使得整个发展速度非常缓慢,也没有避免掉一些曲折弯路。




下一次,我们来简单聊聊导航卫星简单的定位原理。


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张晟宇- 中科院微小卫星创新研究院高级主管 | 到「在行」来约见我www.zaih.com图标