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南哥说北斗:北斗卫星导航的前世今生(一)

发布时间:2022-07-06作者来源:金航标浏览:1594


源 起


“秋天到了,树叶黄了,一群大雁往南飞,一会儿排成个人字,一会儿排成个一字……”每每想成儿时的这篇课文,就会感慨于大雁的那份坚韧及执着。是什么,给了它们跋涉千里的笃定?又是什么,给了它们分毫不差的判断?分辨方向,找到回家的路,是它们一代又一代传承至今的技能。于是,我们才拥有了大雁南归,情系故里的感动;鲤鱼洄游,龙门一跃的兴奋和草原迁徙,万马奔腾的壮丽。


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动物如此,人类何偿不是如此。小的时候,耳边不时会响起父母的嘱咐:出门在外,千万不要迷失了方向。于是,我们学会了利用太阳的影子,树林年轮的疏密,树叶的繁茂,山坡积雪的不同,夜空中北极星的位置……来分辨方向,带我们走出迷惘。


“回家”,这个最朴素的概念,常常带给我们三个思考:我在哪里?家的方向在哪里?回家的道路又在哪里?


“回家”,我们最初依靠的是经验和记忆。经验,告诉我们的定位和方向,记忆,可以为我们回家导航。我们不断把经验做成工具,就有了指南车,司南,牵星板,六分仪;我们通过实际测量,将记忆固化成统一的图表,就有了地图。带上地图和指南针,背起行囊,我们就开始了探索新世界的征程。


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随着人类探索区域的不断扩大和探索领域的不断增加,我们对定位精度、运动准确度和应用范围的要求越来越高,导航技术也随之得到了极大的发展,在天文导航的基础上,无线电导航、多普勒导航、惯性导航、特征匹配导航、GNSS卫星导航等多种导航方式也逐渐来到了我们的生活中。


1957年10月4日,前苏联在拜科努尔航天中心发射了人类第一颗人造卫星——斯普特尼克一号(Спутник-1)。斯普特尼克一号是一只用铝合金做成的圆球,直径为58厘米,重达83.6公斤。圆球外面附着4根弹簧鞭状天线,其中一对天线长240厘米,另一对天线长290厘米。它在环绕地球的轨道上运行,距离地面最远时为964.1公里,最近时为228.5公里,轨道和地球赤道平面的夹角为65度,以96.2分钟时间绕地球1周。斯普特尼克一号在天空中运行了92天,绕地球约1400圈,行程6000万公里,于1958年1月4日陨落。


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斯普特尼克一号开启了人类探索外太空的崭新篇章,在世界范围内引起了极大的轰动,也引起了全世界科学家的关注。美国约翰.霍普金斯大学应用物理实验室的W.Guier和G.Wieffembach博士通过跟踪、检测该卫星所发出的信号,发现了该卫星信号的多普勒频移现象。即卫星相对于地球运动时,信号频率增大;卫星远离地球运动时,信号频率减小。如果在地面已知位置上检测接收信号的多普勒频移曲线,就可以计算出卫星的运行轨道了。


基于逆向思维的方式,美国约翰.霍普金斯大学应用物理实验室的另两位科学家Frank McClure 和 Richard Kershnet博士提出可以利用卫星的多普勒频移现象计算出接收端用户的位置。这就是卫星导航系统的最初构想。


卫星信号多普勒频移现象的发现,让美军海军敏锐地意识到使用卫星定位的巨大潜力,他们于1958年起与美国[敏感词]部高级研究计划局(DARPA)联合开展研究,并成功开发出了世界上第一个卫星导航系统——子午卫星系统(Transit),又名:海军卫星导航系统(Navy Navigation Satelite System,NNSS),以解决美国海军北极星潜艇的全球导航问题。


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子午卫星系统于1964年建成,1967年开始提供民用。之所以命名为子午,是因为它由6颗运行于圆形极地轨道的星座组成。


子午卫星系统是第一代卫星导航系统的起点和典型代表。虽然它存在着很多的不足,比如:卫星数量少,无法提供实时定位;信号频率低,定位精度差;大地测量应用需连续观测3-7天,观测时间长;无三维定位能力等。但是,子午卫星系统为卫星导航技术打开了一扇门,在导航技术领域具有划时代的意义。


子午卫星系统于1996年完成了它的历史使命,并作为第一代卫星导航系统的典型代表被载入了史册。


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