导航定位技术的发展史
作者:王馨 朱丽 刘文婧
来源:《科技与创新》2014年第11期
        摘 要:在当今世界,导航已经成为人类从事政治、经济和军事活动所不可或缺的技术。对此,较为全面地介绍了全球导航定位技术的发展历程,重点介绍了星基导航的几种定位系统
        关键字:导航;定位; GPS;发展史
        中图分类号:V324 文献标识码:A 文章编号:2095-6835(2014)11-0131-02
        据传说,当年黄帝部落与蚩尤部落在涿鹿大战,突起狂风暴雨,由于有指南车的指引,黄帝的军队在大风雨中依然能够辨别方向,最终打败蚩尤。此外,还有古代丝绸之路长途跋涉的骆驼队,中国明代的郑和下西洋。在这些事例中,如果他们没有地物作参考/没有导航帮忙,是不可能成功的。由此,导航的重要性可见一斑。在汉语大词典中,导航的意思是:“引导飞
行器或船舶沿一定航线从一点运动到另一点的方法。”随着科技的不断发展,如今导航已不仅仅应用在飞机、船舶等特定的交通工具上;在日常生活中,我们驱车自驾游、外出休闲徒步旅行或去未知地带探险等,都可以利用导航装置来为我们导航到希望的位置。
        导航装置品种繁多,但大致可以分为陆基导航和星基导航两大类。从一般意义上讲,可以把那些将导航设施(或媒介)置于陆地上、导航信号作用范围限于电离层以下的空间、陆地和海洋上的导航行为,统称为陆基导航。由于陆基导航的精度较低,所以星基导航应运而生。
        1 星基导航定位系统
        由于陆基导航普遍存在定位精度低、信号覆盖范围有限等问题,难以满足现代航空、航海、军事和陆地车辆的高准确度导航定位的需要。所以,以GPS为代表的星基导航系统应运而生。自人造地球卫星问世以来,人类在星基导航定位技术的研究上投入了大量的人力和财力,走过了艰苦奋斗、不断创新、硕果累累的半个世纪,取得了巨大成功,翻开了导航领域崭新的一页,开创了空间技术为人类造福的新纪元。
        1.1 首颗人造地球卫星
        1957-l0,苏联成功发射了世界上首颗人造地球卫星,这颗卫星的成功发射标志着人类在空间科学技术领域进入了新纪元。此后,世界各国的人造地球卫星如雨后春笋般不断涌现,并在天文、气象和军事等众多领域得到广泛应用。可以说,人造地球卫星是星基导航技术的奠基石。
        1.2 卫星多普勒导航系统
        1.2.1 美国的海军导航卫星系统
        人造地球卫星的出现,令各国的军事部门如临大敌,纷纷绷紧神经。1958年末,美国海军为了给北极星核潜艇在远海中提供全球性导航定位,委托霍普金斯大学应用物理实验室开始研制一种新的卫星导航系统,即美国海军卫星导航系统(Navy Navigation Satellite System,简称NNSS)。由于该系统的卫星通过地极,即沿地球的子午圈轨道运行,因此又被称为子午(TRANSIT)卫星导航系统。从1959—1961年这3年时间里,研究人员先后共发射了9颗实验性子午卫星。通过无数的努力,经过反复的验证研究,1964年,系统终于建成并正式投入使用。该系统由分布在6个轨道面上的6颗工作卫星构成,卫星平均高度为1 000 km,卫星运行周期约为108 min。TRANSIT卫星系统采用的是多普勒定位原理,起初主要为
北极星核潜艇提供服务,之后逐步发展到各种船舶的导航。尽管该系统卫星数目少,运行高度低,观测卫星的时间间隔长,但它仍然推动了导航这一新兴领域的快速发展,开启了星基导航定位系统这一新篇章。
        1.2.2 苏联的 TSICADA
        受到美国TRANSIT系统的启发,前苏联立即着手开发自己的卫星导航系统。1965年,前苏联建立了与TRANSIT相似的卫星导航系统。该系统也由6颗卫星构成星座,高1 000 km,有6个轨道面,卫星运行周期约为105 min。该系统主要为前苏联军方提供服务。
        1.3 美国的GPS
汽车gps导航        20世纪60年代初,美国国防部(DOD)、国家航空航天局(NASA)和交通部(DOT)认为子午系统无法满足军事和民用连续实施三维导航的迫切需求,更无法满足高动态用户的精密导航要求。他们希望能有这样一个卫星导航系统——可以实现全球覆盖、全天候工作,可以为高动态用户提供服务,并且拥有较高的精度。1973年末,美国国防部决定将陆海空三军种的研制工作统一起来,研制新一代的卫星导航系统,这就是我们现在所说的“导
航卫星授时测距/全球定位系统”(Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System),即GPS。这个项目历经二十余年的研制,花费百亿美元。1993年末,GPS可以进行初始运行。此时,它由分布在6个轨道面的24颗卫星组成。1995年初,GPS全面投入正常运行。
        1.4 前苏联的GLONASS
        为了应对美国的GPS系统,同时也为满足本国军事的需求,前苏联于1976年颁布了一个建立GLONASS的法案。1982-10,前苏联发射了这个系统的第一颗卫星。在1988年召开的一个国际会议上,前苏联表示各国可以免费使用GLONASS系统的导航服务。前苏联解体后,1993年俄罗斯总统叶利钦发表演说,提到GLONASS系统即将开始正式运行,成为一个工作系统。1994—1996年,在这3年时间里,俄罗斯逐渐发射卫星,并将24颗卫星星座全部布满,至此总花费达数十亿美元的GLONASS系统正式投入使用。到2005年上半年为止,已先后发射了80余颗卫星。
        1.5 我国的北斗卫星导航系统
        1983年,陈芳允首次提出了北斗计划,1994年我国确立了北斗计划。这一系统将支持制图、航天航空、导航、灾难应急救助和国防等方面的应用。2000-01,我国发射了第一颗北斗卫星,同年12月发射了第二颗。2003-05-25,我国在西昌将第三颗“北斗一号”送入太空。这颗卫星与前两颗一起构成了我国完整的卫星导航定位系统,即北斗卫星导航系统,简称CNSS.
        北斗系统的成功建成,填补了我国星基导航定位领域的空白,使我国成为继美国GPS和俄罗斯GLONASS后,世界上第三个建立成熟卫星导航系统的国家。该系统的建立,将对我国国防现代化和国民经济建设有着重要的作用。2012-12-27,北斗系统在继续保留北斗卫星导航试验系统有源定位、双向授时和短报文通信服务的基础上,向亚太大部分地区正式提供连续无源定位、导航、授时等服务,民用服务与GPS一样免费。预计到2020年,将建成由5颗地球静止轨道和30颗地球非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统。
        2 结束语
        随着人类文明的快速发展和科学技术的日新月异,从原始时期的寻路、判别方向,到后来的陆基导航,再到现在的全球卫星导航定位系统,无不体现着人类智慧的结晶。卫星导航
系统除了给人们日常生活提供便利外,还在科技、经济、军事领域发挥着不可替代的作用,它已经渐渐成为衡量一个国家综合实力的标准。
        参考文献
        [1]王惠南.GPS导航原理与应用[M].北京:科学出版社,2003.
        [2]刘基余.GPS卫星导航原理与方法[M].北京:科学出版社,2003.
        [3]刘大杰,施一民,过静珺.GPS导航原理与应用[M].上海:同济大学出版社,1996.
        [4]李塔,栗丽.全球定位系统(GPS)简介[J].林业科技情报,2008(01).
        [5]张惠,张健,刘超.全球定位系统(GPS)技术的发展现状及未来发展趋势[J].仪器仪表标准化与计量,2011(02).
        〔编辑:李珏〕