全球衛星導航系統：用「天眼」丈量地球

全球衛星導航系統:

用「天眼」丈量地球

文/李瑞

丈量地球

古人在外迷路時，會觀星而行。相傳黃帝發明了指南車，並因此在蚩尤之戰中打敗了蚩尤。後來，中國老古人發明的基於地磁引力而作用的司南（有人稱為「指南勺」）也同樣具有辨識方向的作用，之後傳入歐洲，直接推動了歐洲航海事業的發展，並使歐洲進入了嶄新的大航海時代。

縱觀人類歷史的發展，我們會發現方向指示（我們現在更多稱為「定位」）的工具在其中扮演了舉足輕重的角色。眼光聚焦現在，我們就不得不說說與我們現代社會息息相關的衛星導航系統了。

全球衛星導航系統（來源：網路）

改變生活的衛星導航系統

類似的導航系統產生於冷戰時期，當時用於服務美蘇的軍事作戰，諸如彈道導彈引導、軍事情報收集等。隨著冷戰的結束，軍用導航轉向民用，從此導航技術開始改變我們的生活。

一提到導航，最先蹦出我們大腦的一般是GPS。然而準確地說，GPS只是GNSS（Global Navigation Satellite System，即全球衛星導航系統）的一個重要組成部分，它是目前全球正在運行的GNSS中應用最廣泛的一個。當今世界上許多發達國家與部分綜合實力強勁的發展中國家都在開發功能與服務對象不盡相同的導航系統，這些導航系統共同組成了我們今天將要說到的GNSS。

有人感覺GNSS很高大上，但了解最簡單的GNSS導航方法卻易如反掌。我們以最基本的獨立衛星導航方法為例，即接收信號僅來自一個GNSS星座，該方法實現的就是單一式的交互，公用的GPS標準定位服務就是一個典型的例子。除此之外，還有差分導航和網路輔助導航等，這兩者都是為了彌補獨立衛星導航方法在導航精度方面的一些缺陷。

衛星導航系統的「四大天王」

當然，GNSS領域也是群起爭鋒，稱霸當今武林的有「四大門派」，即我們熟知的美國GPS、俄羅斯的格洛納斯、歐盟的伽利略以及我們中國的北斗。其中，輩分最高、也是最為眾人所公認的，毫無疑問便是GPS。

天王一：美國GPS全球定位系統

GPS（Global Positioning System）全球衛星定位系統，其組成包括空間衛星、地面監控與用戶設備三大部分。24顆衛星組成空間衛星部分，可實現全時全覆蓋定位。地面監測部分由5個監測站、1個主控站和3個信息注入站組成。其中，5個監測站分別位於夏威夷群島、美國本土的科羅拉多、南大西洋的阿松森島、印度洋的迭戈加西亞以及南太平洋的卡瓦加蘭。從地圖上來看，這五座站點均勻地分布於地球的近赤道環帶上，保證數據接受完整。監測站擁有數據自動採集的功能，同時還可以對數據進行初步處理，並將數據保存在位於科羅拉多的主控站里。主控站，概括地來講，就是實現了對衛星的控制功能。而後三個監測站兼有信息注入站的作用，其主要作用是推算和編製衛星星曆、鐘差、導航電文和其他控制指令等，之後注入到相應衛星的存儲系統，並檢測注入星系的正確性。最後我們使用的GPS導航儀或具備導航功能的行動電話機等就是用戶設備了。

（來源：網路）

GPS的測量方法在測量學上被稱為空間後方交會法，其導航原理可分為絕對定位與相對定位原理。當我們使用GPS衛星來定位一個地點，通常使用四顆衛星同時定位。為什麼是四顆？理論上，以地面點的三維坐標(N, E, H)為待定參數，只需要測出三顆衛星到地面點的距離，就可以確定該點的三維坐標了。但由於每顆衛星的偽距測量觀測值中都包含有接收機鐘差（因為接收機使用的石英鐘相較衛星上的原子鐘來說，誤差很大不可忽略）這一誤差，造成距離測量觀測值很不準確，需要將接收機鐘差作為一個未知數加入到偽距單點定位的計算中，再加上坐標三個未知數，所以至少需要4個偽距觀測值，即需要同時觀測至少4顆GPS衛星。

GPS的民用化（公用GPS部分）讓人類社會發生了翻天覆地的變化。從前，人們遠行需要觀星望日，而今我們只需要一部GPS接收機，甚至是我們幾乎人手一部的智能手機，就不用在尋找道路和方向上費吹灰之力。現在才發現，周遊地球是如此簡單，根本不需要800天。在GPS的引導下，我們的交通工具可以隨心所欲地駛向地球上的任何地點，而不用再擔心迷路。

既然功能強大的GPS已經得到如此普遍的使用，為什麼還有如此之多的國家要自己研發導航系統呢？理由很簡單，GPS是美國人的玩意兒，美國人讓導航系統民用化當然是為了自己兜里能裝更多的錢。所以，有能力的國家都在爭先恐後地研究自己的導航系統。

天王二：俄羅斯格洛納斯全球導航系統

（來源：網路）

俄羅斯的格洛納斯誕生時間和GPS同處一個時期，當時也為軍用，但是因為蘇聯在冷戰中的潰敗和解體，以及後來俄羅斯經濟發展停滯，使得格洛納斯系統一度發展緩慢，到現在為止，已失去了與GPS系統同台競爭的輝煌。

天王三：歐洲伽利略衛星導航系統

歐洲伽利略衛星導航系統（來源：網路）

美國一向視歐盟為自己的小老弟，不僅給予其各方面的援助，還將自己的導航系統（含軍用部分）慷慨地借給歐洲使用。但歐洲依然渴望自己當大哥，擁有獨立的大工程，脫離美國的控制，所以歐洲人以近代科學之父的名字命名了這一導航系統——「伽利略計劃」應運而生。

與其他導航系統截然不同的是，伽利略系統是一個徹頭徹尾的民用導航系統，從它誕生起就是為廣大民眾而服務的。伽利略系統現有30顆在軌衛星以及兩個地面監測站，其地位精度雖然遜色於GPS，但服務種類比GPS更多。伽利略擁有公開服務、生命安全服務、商業服務、公共特許服務以及搜救服務等，而GPS僅有標準定位服務和精確定位服務兩類。最重要的是，伽利略系統在當今多極化的趨勢為歐洲日後的戰略防務做好了一定的保障。

天王四：中國北斗衛星導航系統

中國北斗衛星導航系統（來源：網路）

北斗衛星導航系統可謂後起之秀，中國在改革開放時期的發展成就有目共睹，航天作為國家一貫重視的科技事業得到了充分發展。尤其進入21世紀以後，中國在2000年建立了北斗導航試驗系統，現擁有5顆靜止軌道衛星以及30顆非靜止軌道衛星，2012覆蓋亞太，計劃2020年覆蓋全球。衛星一顆接一顆飛入浩瀚星空，據悉，北斗於2017年7月將開始全球組網計劃。到時，全球導航必有我們一席之地。

提到北斗，不得不說說其厲害的簡訊互發功能。什麼是簡訊互發?簡單來講，就是通過北斗系統，你不僅可以知道你自己在什麼地方，你也可以把你的信息傳給幾百甚至幾千千米以外的人，讓別人知道你在什麼地方。這種互動式的定位功能是其他導航系統所不具備的。按研究員的話來說，如果你使用的是北斗，你就可以和同在救生艇上手持GPS的小夥伴說拜拜了。當然，這是一個玩笑啦。

北斗發展至今，已成為第三個聯合國認可的海上定位系統，以及聯合國衛星導航委員會已認定的四大供應商之一，其導航精度根本不輸GPS，更重要的是它擁有我們的自主知識產權，我們從今以後就有了自己的導航系統。

雖說現在的導航系統層出不窮，而且會越來越多，除了我們熟知的四大系統，各國開發的區域系統與增強系統在某些服務功能方面也成為了典範。例如，日本的准天頂衛星系統和印度的區域導航衛星系統。然而，儘管如此，GPS系統依然會是現在最主要的導航系統。有人就會問了，我們的北斗功能與使用體驗並不輸GPS，為什麼沒有用戶願意投其懷中？其中原因很多，首先，GPS作為導航界的元老，已在用戶心中樹立起了自己的威信，打響了招牌；其次，GPS的晶元價格遠低於北斗；再者，GPS的推廣模式很成熟，遠優於北斗系統。自己做得好讓別人知道才是真的好，GPS的推廣方式值得我們去學習借鑒，所以取精棄粕非常重要。

就是在這樣的一種激烈競爭的背景下，GNSS才得以取得如此之大的發展。有人估算過，如果沒有導航系統，整個歐洲在兩天之內的財產損失可達10億歐元。對於我們現代人來說，那種出門遠行靠觀星望日、指南針的生活真的難以想像。

來源——今日科協

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