衛星定位，蒼天有眼！

（專家：余宜珂，中國科學院國家天文台、華中科技大學博士，科普中國微平台原創首發）

科學家對敵方衛星的跟蹤研究開啟了人類探索未知地球的新篇章——衛星導航。六十年風雲變幻，各國政治、軍事、科技力量爭相競逐，以GPS、北斗、格洛納斯、伽利略為代表的衛星定位系統各顯神通，而以CAPS為代表的新興系統亦為這個家族增添了智慧的血液。無邊的大海、無垠的沙漠之於人類不再是浩瀚無邊的迷宮，精準打擊、無人駕駛，這些一個世紀前的科幻故事在衛星定位系統的幫助下成為人類活生生的現實……衛星定位，蒼天有眼！

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衛星定位緣起及原理

1957年美國約翰霍普金斯大學科學家William和Gorge在對蘇聯衛星進行跟蹤研究時發現了這樣一個現象，那就是這顆衛星的頻率出現了偏移，經研究發現是相對運動引起的多普勒頻移效應。

威廉和喬治發現，如果在地面上架設多部接收機，就可以根據接收到的信號的不同頻差推算出這個衛星的具體位置，他們很高興地把這個研究成果告訴了實驗室主任弗蘭克，說他們已經實現了對蘇聯衛星的多普勒定位跟蹤。

弗蘭克教授當時在做海軍的一項研究，研究內容是五角大樓如何知道茫茫大海中軍艦的具體位置，聽到兩位科學家的彙報後他眼前一亮，既然你們能夠發現衛星在哪裡，如果把問題反過來，衛星就能發現你們在哪裡，海軍軍艦定位的問題迎刃而解，GPS（Global Positioning System，全球定位系統）系統就此啟動！

理論上，一束電波從A點射向B點，用時t秒，假設光速為c，則t與c之積t*c便是A、B兩點間的距離，沒錯，這就是衛星定位的基本原理。然而實際中，由於大氣密度不均、電離層干擾等原因，使得單點定位往往存在較大的誤差，所以在工程實際中，人們通常用多顆衛星發射信號，對一點進行定位測量，這樣做的目的在於通過構建方程組消除誤差。

衛星定位系統的應用

首先，衛星定位系統最直接的作用在於測量，即測量地球上任意一點的經緯度，故而定位、導航則是其首要用途。人們在野外探測、航海中，衛星定位系統相對於指南針羅盤，定位效果更精確可靠，例如發生海難時，救援船隻可以通過衛星定位系統提供的精確的經緯數據找到遇險船隻。同時，精確的定位給了現代軍事以針對目標精確打擊的可能性，2004年，以色列先後採用精確打擊技術消滅了哈馬斯連續兩任精神領袖——亞辛和蘭提斯，精確打擊技術使得戰爭對目標以外的物體所造成的傷害最小化。

其次，授時，即提供精確時間，亦是衛星定位系統的重要應用，原因在於導航衛星內部的高精度原子鐘，這種原子鐘可以精確到什麼水平呢？現有GPS導航衛星的銫原子鐘能把8000萬年的誤差控制在1秒內！高精度的時間服務為金融系統、電力系統、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到今天，人類衛星導航發展到今天已有整整六十載，除有效服務民用之外，其軍事、以及國家戰略價值更是使得衛星定位系統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，俄羅斯的格洛納斯系統，以及中國的北斗系統亦扮演者舉足輕重的作用，衛星定位領域四巨頭鼎立格局基本形成。

CAPS——天文學家的神來之筆

2002年的初冬，一道靈光打破了著名太陽物理學家、時任中國科學院國家天文台台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星的轉發器作為一面「鏡子」，從地面發射電波信號，則同樣能實現對地面坐標的定位導航！而同時被這道靈光打破的是此後世界衛星定位系統的格局，CAPS（中國區域衛星定位系統）應運而生。

CAPS系統的創新之處在於「雙重節約」：第一，人類既能避免單獨發射成本高昂導航衛星，又能實現導航信號的發射；第二，退役通信衛星以導航衛星的身份繼續服役，是「廢物再利用」，亦節省了至為寶貴的空間軌道資源。

十多年的發展至今，在艾國祥院士以及其他中國天文學家的共同努力下，CAPS系統已經做到了對中國區域的全境覆蓋，同時亦不斷將覆蓋面積向外延伸，該系統目前作為中國衛星定位系統的重要組成部分，在軍事科技領域發揮著重要作用。更為重要的是，這個天文學家的神來之筆給了衛星定位領域一個全新的靈感，未來衛星定位系統的成本或將極大降低，同時珍貴的太空資源或將進一步得到充分利用。

展望未來

六十年風雲變幻，幾代精英前赴後繼，科學家的靈感已然凝結成浩瀚的系統，服務於普通人的生活，例如我們使用的百度地圖等位置服務應用便是基於衛星定位。而從產業的角度，單北斗一個系統，到2020年產值便可突破4000億人民幣。更優良的位置服務、多系統的融合、與人工智慧的結合將是未來衛星定位系統等發展方向，同時，系統應用將向農業、金融等領域進一步拓寬。此外，以CAPS為代表的新興系統將為這個高大上的領域帶來進一步的成本降低，使得衛星定位技術真正親民的服務於民！

編輯：趙翠 魯凡英