“地球是人类的摇篮，但人不能永远生活在摇篮里。”—康斯坦丁﹒齐奥尔科夫斯基

自然界一切生物依靠自身辨别方位的本能以拓展其生存活动空间。大约在6000 年前，人类就已经懂得，通过对恒星的观察来确定位置，从而开始走向海洋。指南针是人类发明的第一个辨识方位的工具，依据指南针的原理而出现的罗盘，指引欧洲人迎来一个改变世界的航海时代。航海时代的巨大成就，是人类拥有了包括海洋、陆地的世界生存空间，为近代资本主义社会的诞生与繁荣奠定了基础。20 世纪初无线电技术迅速发展起来，利用固定台站发射无线电信标信号，为航行在浩瀚海洋中的船舶提供定位信号，开拓了无线电导航定位的新时代，罗兰 （Loran）海岸导航系统、奥米伽（Omego）导航系统一度成为全球性的重要导航设施。但是，由于地球台站发射的无线电信号传输距离有限，无论是罗兰 系统还是奥米伽系统都无法做到全球覆盖，地球上仍然有许多地方是人们不敢涉足的禁区，因为失去方向就意味着死亡。

卫星导航的提出

1957 年第一颗人造卫星遨游太空时，两位美国科学家弗兰克和麦克卢尔发现：当卫星飞近地面接收机上空时，收到的无线电信号频率逐渐升高；卫星飞离接收机上空而远 去时，频率就逐渐变低，即所谓的多普勒效应。这一有趣的发现，启发了利用卫星来进行“导航定位”的设想。就是说，可以通过地面固定接收机测出多普勒频移， 来为卫星精确定轨，地面用户也可以通过多普勒频移测量和卫星轨道参数来确定地面位置，这一思想的提出，立刻引起美国军方的浓厚兴趣。

基于这一原理，美国海军首先提出了为“北极星”潜艇导航的卫星计划。1960年4月发射了第一颗“子午仪”（TRANSIT）进行试验验证，从而开创了卫星导航定位的新纪元。 1963年由6颗TRANSIT 卫星组成的导航星座正式投入运营，成为美国第一代卫星导航系统，1967年对民用开放后，全球最多用户达到10 万。

20世纪60年代中期，一个“时差测距导航”新概念被提出，70年代美国卫星导航的重心转移到GPS的研发，所以1988年发射最后一颗子午仪卫星 后，1996年年末引领全球卫星导航33 年的子午仪系统正式关闭，退出了历史舞台。同期，苏联也发展了与子午仪相似的、用于船舶导航的“圣卡达”（CICADA）多普勒卫星导航系统。

20世纪70年代开始，根据“时差测距导航”原理而出现的新一代卫星导航定位系统迅速发展起来。

经过40年，当今世界已经建成或正在建设中的卫星导航定位系统有4个，并成为人类信息化时代太空中的指路航标。

GPS全球卫星导航系统

GPS导航定位星座运行演示图

GPS 全球卫星导航系统是美国发展的第二代卫星导航定位系统。GPS 卫星采用极轨道卫星星座，其轨道高度约为20230千米，6条非同步圆形轨道上均布24颗卫星，每12小时绕地球一周，能保证地球上任何地点的用户都能至少同时看到4颗卫星。移动用户利用导航定位接收机可同时接收4颗或4 颗以上卫星的导航定位信号，并测量不同信号的到达时间，求出移动用户的三维空间坐标，自动给出经度和纬度显示，从而实现用户的自主定位。

GPS卫星导航定位系统组成示意图

1974 年7月第一颗GPS试验卫星发射，1978年开始卫星组网，1994年3月完成24颗GPS 卫星星座布设，并完成相关地面控制部分，包括负责管理、协调整个地面控制系统工作的主控站、向卫星注入电文的地面天线，以及数据自动收集监测站和数据传输 的通信辅助系统的建设， 达到初步运行能力， 全球覆盖率达到98%。

GPS 初期导航定位精度：使用CA 码时，水平精度100 米，垂直精度157 米，测速精度50 每秒厘米，定时精度1 微秒；使用P 码时，水平精度18 米，垂直精度28 米，测速精度20 每秒厘米，定时精度100 纳秒。系统运行初期CA 码对全球用户开放，P 码只对美国军方服务。随着近20年，GPS 作为一项高技术而走向全球化，为提高定位精度，降低卫星运行轨道、卫星时钟误差，大气对流层、电离层等影响，差分GPS（DGPS）电离层传播修正等各项新技术不断出现，使得GPS 定位精度不断提高，现在可以达到厘米级、毫米级。应用实践已经证明，在某些工程精密定位中，利用1 小时以上的观测数据来求解，其平面位置误差小于1 毫米。

格洛纳斯全球卫星导航系统

格洛纳斯（GLOMSS）全球卫星导航系统是由俄罗斯开发的。其实，如果追溯其发展历史，GLOMSS 比GPS 还早，这也是当年促成美国大力发展GPS 系统的因素之一。

格洛纳斯卫星星座由中轨道的24 颗卫星组成，包括21 颗工作星和3 颗备份星，分布于3 个圆形轨道面上，轨道高度19 100 千米，倾角64.8°。每颗GLONASS 卫星都在L 波段上发射两个载波信号L1 和L2，民用码调制在L1 上，军用码调制在L1 和L2 双频上，采用频分多址区分卫星信号。

格洛纳斯卫星（上）及星座分布（下）

系统提供高精度的三维空间位置定位、速度信息和授时服务，设计定位精度为在95% 的概率条件下水平向100 米，垂直向150 米。21世纪的第三代格洛纳斯系统，可为全球海、陆、空以及近地空间的各种军、民用户全天候、连续地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息，设计定位精度10～15 米，定时精度20～30 纳秒，速度精度每秒0.01 米。俄罗斯自称，多功能的GLONASS 系统定位精度可达1 米，速度误差仅为15 厘米／秒，如果有必要该系统还可用来为精确打击武器制导。格洛纳斯星座先后使用过6种类型的卫星，至今发射过80 多颗。

伽利略卫星定位系统

欧盟建造中的伽利略卫星定位系统（Galileo Positioning System）是世界上唯一单纯提供民用服务的，国际共同研发的卫星导航系统，有“欧洲版GPS”之称。

伽利略卫星定位系统方案的星座由分布在3 个中高度圆轨道上的30 颗卫星构成。每个轨道面上均布10 颗，9 颗正常工作，1 颗运行备用；轨道倾角56°，轨道高度24 126 千米。原计划在2002 ～2005 年完成研制发展，2006 年进入部署，2008 年投入商业运营。但是，由于种种因素，直到2010 年1月，欧盟表示计划有所突破，正式运营时间将被推迟到2014 年。

伽利略卫星

星座分布图

伽利略系统的基本服务是导航、定位、授时，以及搜索与救援、飞机导航和着陆系统中的应用、铁路安全运行调度、海上运输系统、陆地车队运输调度、精准农业等。 设计方位误差1 米，远高于GPS 系统的10 米精度。 伽利略系统可提供自动交通指示；事故盲点、道路转弯处及危险路口警示；紧急事件时，医疗、消防、警察公共服务导航，利用更准确信号及时到达目的地。另外， 还可以提供伽利略卫星定位系统模拟图、联网手机卫星定位、高精度观测测量等；也可以用于政府城市、道路建设规划，以及航空、航天控制等。伽利略系统一旦投入正式运营，必将改变全球导航定位的格局，从市场的发展来看，将会出现GPS 系统与伽利略系统竞争的局面，竞争会使用户得到更稳定的信号、更优质的服务。世界上多套全球导航定位系统并存，相互之间的制约和互补将是各国大力发展全球导航定位产业的根本保证。

北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统是由中国自主研发、正在建造中的第4 个全球卫星导航定位系统。北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，其建设与发展则遵循开放性、自主性、兼容性、渐进性4 项原则。

早在20 世纪60 年代末，中国就开展了卫星导航系统的研制工作，但由于诸多因素而夭折。1978 年中国实行改革开放后，卫星导航系统体制研究工作再次提上日程，并先后提出过多种方案，但由于年轻的中国航天事业正处在成长、发展阶段，需要做的事太多！ 卫星导航一度被推后。

90 年代是中国航天的跨越式发展年代，载人航天起步，国际上美国和俄罗斯的GPS 和GLONASS 相继投入运营，中国发展自身的卫星导航系统，赢得了更高的关注度，一个“三步走”的北斗卫星导航系统规划终于浮出水面。

该规划的第一步是试验阶段，即用少量卫星利用地球同步静止轨道来完成试验任务，为北斗卫星导航系统建设积累技术经验、培养人才，并建设一批地面应用基础设施、设备等。第二步是到2012 年，计划发射10 多颗卫星，建成覆盖亚太区域的北斗卫星导航定位系统。第三步是到2020 年，建成由5 颗同步轨道和30 颗非同步轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统。

“北 斗一号”在2000 年10 月和12 月分别成功发射了两颗星，组成“双星定位导航系统” 。该系统利用地球同步轨道，覆盖范围是北纬5°～ 55°，东经70°～ 140°，为用户提供全天候、区域性快速定位、简短数字报文通信和授时服务，水平定位精度100 米，设立标校站之后为20 米，工作频率为2491.75 兆赫，系统能容纳的用户数为每小时540 000 户。2003 年5 月和2007 年2 月“北斗一号”的第3 颗、第4 颗相继升空，从而完成中国导航定位卫星试验阶段的任务，4 颗卫星组成了完整的卫星导航定位系统，确保全天候、全天时提供卫星导航资讯，并进行了“北斗二号”卫星导航定位系统的相关试验，为建设运营的“北斗二号” 星座积累了经验。

2007 年4 月14 日，“北斗二号”第1 颗星发射，标志着中国卫星定位导航系统第二步计划的开始。经过技术改进和完善的“北斗二号”第2 颗星在2009年4 月15 升空，标志着北斗系统进入星座部署阶段。2010 年11 月1 日，“北斗二号”第6 颗星（G4）成功升空，其后相继在2010 年12 月～ 2012 年10 月的两年时间里先后发射了I2 ～ I5、M4 ～ M6、G5、G6 九颗北斗卫星，初步建成覆盖亚太区域的卫星导航系统。预计到2020 年将全部建成由5 颗静止轨道和30颗非静止轨道卫星组网的全球卫星导航系统。

北斗星座分布

北斗卫星效果图

建成后的北斗系统星座使用3 颗倾斜同步（IGSO）卫星和27 颗中轨道（MEO）卫星组成。27 颗中轨道卫星均布在倾角55°的3 个轨道面上，轨道高度21 500 千米。系统将提供定位，测速和授时等开放服务，定位精度为10 米，授时精度为50 纳秒，测速精度为0.2 米/ 秒。另外，系统也向用户提供军事用途的更安全与更高精度的定位、测速，授时的授权服务，并继承“北斗一号”试验系统的通信服务功能。为使北斗卫星导航系统 更好地为全球服务，加强与其他卫星导航系统之间的兼容与互操作，促进卫星定位、导航、授时服务的全面应用，中国正在努力促进与GPS、GLONASS 和GALILEO 之间的频率协调，与有关国家、区域机构和国际组织开展广泛交流，推动卫星导航系统及其应用的发展。作为拥有自主卫星导航系统的国家，中国希望通过双边和多 边渠道，积极探讨在兼容与互操作、卫星导航标准制定、卫星导航性能增强、时间空间基准、应用开发、科学研究等方面开展国际合作的可能，以推动世界卫星导航 事业蓬勃发展。

北斗卫星导航系统和GPS 与GLONASS 等相比，增加了通信功能，并且全天候快速定位，具有与GPS 相当的精度，因此具有巨大的潜在应用优势，可广泛应用于船舶运输、公路交通、铁路运输、海上作业、渔业生产、水文测报、森林防火、环境监测等众多行业，以 及军队、公安、海关等其他有特殊指挥、调度要求的单位部门。

在未来半个世纪或更长时间里，四大卫星导航定位系统将为世界带来一个崭新的生活方式，也许在不久的未来，每一个人都会拥有一套随身的、便捷的卫星定位接收 机，就像今天的人都有一个手机、一支手表一样，伴随你周游世界，遨游在大地、海洋、天空的每一个角落，而无需担忧迷失方向。

本文来自科学网博客，由安静摘编自张玉涵著《走出地球摇篮》。链接地址：http://blog.sciencenet.cn/blog-528739-933702.html

978-7-03-045072-2

《走出地球摇篮》以独特的视角，从哲学社会学角度，系统阐述了人类对天求索的历史轨迹，其开阔的思路，使人耳目一新，能进一步启迪读者去深入思考，颇有新意。

全书分为上下两 篇，上篇“飞天梦想的实现”，从繁琐杂乱的历史事件中，梳理出既不失真实性，又可增添读者趣味性的小故事，来介绍人类千年飞天寻梦的科学与社会发展历程， 并着重介绍了东方（中华民族）文明对人类科技发展的贡献；下篇“对太空的探索与利用”，由幻想与现实的辩证关系切入，介绍在人类实现飞天梦想后，新兴的空 间科学与技术，在全球通讯、定位、军民航天对地观测，以及空间天文和物理、空间科学实验研究等广泛领域所获取的巨大效益，带给人类社会文明进步的创新成 就，以及由此而出现的推动航天、载人航天可持续发展的新一轮幻想和实现新幻想的战略宏图。

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