ZKX's LAB

你不知道的导航定位的那些事

2020-09-02新闻11

导航这个东西对咱们来说很方便,想上哪儿去,手机掏出来,地图软件就可以给你导航到地方,而这个功能是通过卫星导航系统实现的,像咱们现在常用的卫星定位导航是起源于美国的GPS,但是定位导航这个概念,从古至今一直都存在。

古代人最常用的定位导航方式是地文导航,现在也在用,比如说你给你媳妇儿打个电话,约她晚上八点到靠山屯儿西边儿五公里的苞米地,南边儿的小树林儿吃烤苞米,那你媳妇儿就得通过地理情况,像靠山屯,苞米地,小树林儿来判断,怎么才能吃上这顿烤苞米,比如在森林里迷路了,就可以通过树木的生长方向和年轮来判断方向,这就是地文导航。再到后来人类又发明了天文导航,这个老师以前也教过,要是找不着北了,就看天上的北斗星,南半球的人就得看天上的南十字星,古代的波尼米亚人则是通过天空中最亮的星天狼星来判断方向。但是咱们人类作为高等动物,光靠天文地理导航,肯定是满足不了咱们的需求,于是后来就发明了定位导航工具,也就进入了工具导航时代,中国古人发明的指南针一直沿用到现在,应用非常广泛,后来咱们又发现了电,咱们就可以利用无线电的幅度,频率,相位等等一些参数来测量导航信息,但是早期的无线电导航都是地基无线电导航,比如美国的罗兰C和咱们中国的长河,这种导航方式必须要在地面上建个无线电基站,每个基站覆盖的面积是有限的,比如现在的5G,50米就得有个基站,所以地基无线电导航只能实现局域覆盖。

想要全球覆盖,那就必须得用卫星定位导航,这也就到了人造卫星时代,第一颗人造卫星是1957年由前苏联发射升空的,美国一看苏联有卫星了,于是就在第二年,美国就发射了探险者一号人造卫星,他们刚把卫星升空,美国海军就找来了,当时美国海军发现他们潜艇打击精度不准确,说白了就是导弹鱼雷总打偏,具体啥原因,也搞不清楚,就找美国科学实验室帮忙,看能不能解决下问题,后来,这些科学家研究后发现是这个潜艇自身定位不准导致的,你自己在哪儿都不知道,还想打中目标。

科学家发现利用多普勒平移效应可以对卫星进行多普勒定位跟踪,这就意味着你在地面可以发现卫星在哪儿,反过来,卫星就也能发现你在哪儿,按照这个思路,他们就搞出了全世界第一颗卫星导航定位系统子午仪,子午仪是4颗卫星覆盖全球,因为采用的是多普勒定位原理,所以需要的卫星数量比较少,但是它也有弊端,第一个是速度太快,就无法定位,第二个是定位精度差,定位精度是千米量级,不能实现高精度定位,但毕竟子午仪还是有优势的,它能实现全球覆盖,全天候,全天时不受天气和地区的影响和限制,这已经是全全球定位系统的里程碑了。1964年子午仪建成后,就交给了美国海军使用,那苏联看到美国有定位,苏联当时就搞了一个西科林,当时咱们也有一个“灯塔一号”项目,但是由于当时的技术和资金都跟不上,所以就被迫暂停了,虽然定位导航暂时搞不出来,但卫星还是要发射的,1970年4月24号,酒泉卫星发射中心,成功发射了咱们中国第一颗人造卫星东方红一号。

因为第一代子午仪无法实现高精度全球定位,美国在1973年就开始建设第二代卫星导航系统,全球定位系统GPS,用了20年时间,总共耗资200亿美元,在1999年全部建成,但是在1983年美国就宣布向全球开放GPS民用功能,原本GPS是军用系统,为啥要提前开放民用功能,因为在1983年,大韩航空007号航班,从纽约起飞后,莫名其妙地飞到了苏联上空,当时天色昏暗,苏联军方发出警告,但是客机没有做出任何回应,在007号航班即将飞离苏联领空时,被导弹击落了,当时消息一传出,举世震惊,因为正处在冷战时期,大家都高度紧张,后来调查结果显示,007号航班误入苏联领空是因为它们的地磁导航出了故障,这才缓解了当时的紧张气氛。

1983年,美国总统里根就决定将正在建设中的GPS系统向全球开放民用功能,但说是开放,人家还定了规矩,特殊情况下,将采取降低定位精度,关闭区域信号甚至更换通讯编码的措施,这就意味着在特殊情况下,我可以选择性的不让你使用GPS,这里就要插一嘴了,很多人在网上说,93年银河号儿事件是因为美国把GPS关闭了,导致银河号在海上漂了一个多月,银河号在海上漂流是由多方面因素造成的,这个说法有点儿过度夸大GPS的功能了。永乐宣德年间,郑和七下西洋,最远到了非洲,这是发生在1405-1433年的事,1522年,麦哲伦完成了环球航行,那个年代用航海图、指南针、六分仪都可以航海,现在的航海员也一样可以做到,所以希望大家理性看待这个问题。

真正让卫星定位再度成为焦点是在90年代初,1991年海湾战争,当时的伊拉克号称世界第三大军事强国,但是被以美国为首的多国部队大概用了40多天就给打残了,根本就还不上手,而在这场战争中发挥最大作用的就是当时还没有建成的GPS系统,美军部队穿越茫茫沙海,出现在伊军身后,同时远程打击,精准制导,以信息战为核心,以制空权为主导的现代战争思想也被奠定了,卫星导航对于军事来说,实在是太重要了,所以绝对不能受制于人,咱们必须得有自己的定位系统,于是在1994年,咱们中国启动了北斗一号系统的建设,2000年,基于双星定位方案的北斗一号01星和北斗一号02星成功发射,中国成为了美俄两国后,第三个建成卫星导航的国家,虽然只能在咱们国内区域使用,但最起码咱先整出来一个,下一步再研究全球覆盖问题。

2002年的时候,欧盟要搞伽利略,全球定位计划,但是这个计划太烧钱了,欧洲有技术,但是他们缺钱,于是他们就瞄上了咱们中国,但是蜜月苦短,投了两个亿的欧元后,决策你也不让我表态,技术也不给我共享,资料还不给我看,于是中国退出,在04年的时候,北斗二号系统开始建设,但这时候又遇到了一个问题,卫星的轨道和频率资源是有限的,而最好的资源已经被人占了,咱们北斗二号向国际电联申请的轨道和频率跟伽利略比较接近,而国际电联约定卫星轨道和空间频率是人类共有资源,谁先占了就算谁的,这就意味着北斗一定要跟伽利略抢占资源,那既然已经是竞争对手了,肯定就要给你使点坏,首先,第一个是星载原子钟,原子钟以前咱们国家有,但是星载原子钟,当时技术还不成熟,最开始是想从瑞士进口星载原子钟,但是瑞士要求咱们先获得对华销售许可证,故意跟你拖,所以咱们就意识到这个核心技术,要不来也买不来,只能靠自己研究,后来通过两三年的攻关,咱们终于搞出来了星载原子钟,而且误差已经达到几千万年误差一秒,第二个困难就是地面站,导航卫星需要长期与地面站保持联系,一个全球导航系统需要在世界各地建地面控制站和主控站,而海外建设地面站,这个想法属实太难实现了,这时候,29岁的康成斌博士提出了我国自主创新的星间链路方案,让卫星与卫星之间可以相互联络,实现了仅在我国境内就可以主控、监控和注入,不仅给咱们每年省了一大笔开销,而且还提高了定位的精度和抗干扰力,而第三个困难就是占坑位,欧盟为了跟咱们抢占轨道频率资源,2005年就把伽利略第一颗卫星打上天了,但是他们上去之后没有开通频率,只占了轨道资源,因为当时欧洲手头有点紧,没钱开频率,他们当时一定以为咱们搞不出来卫星,所以自己也不着急,而这时,咱们必须在2007年4月17号前把卫星打上去,因为这是北斗申报的频率资源的最后期限,如果晚了,轨道和频率就都让伽利略给占了,2007年4月14号,咱们北斗二号首颗卫星提前发射上去,一上去就把频率给开通了,既占了轨道也占了频率。

有了相应的基础,中国在卫星导航领域不断发力,一颗接一颗的北斗上天,北斗二号建设完成后,咱们又开始建设北斗三号,今年6月23号,北斗三号最后一颗全球组网卫星发射成功,为全球提供免费服务,从北斗一号到北斗三号,咱们中国耗时20年,花了120亿美元,终于建成了属于自己的全球定位系统,手握守护国门的金钥匙, GPS有的,北斗都有,GPS没有的,北斗也有,风水轮流转,咱们中国已经不是100年前的中国了,咱们中国已经用硬实力向世界证明了自己,最后说一下北斗跟那些乱七八糟的地图软件没关系,跟手机硬件有关,大部分的安卓手机全都支持北斗定位,如今已经形成了中国北斗,美国GPS,俄罗斯格洛纳斯,欧盟伽利略,日本“准天顶”的定位导航格局,科技造福人类,曾经遥不可及的技术也已经慢慢走进了千家万户。

随机阅读

qrcode
访问手机版