导航卫星：太空里的指南针

从远古时代开始，怎样找到方向就是人类最头疼的事情之一。不论在大地、森林、草原还是海洋，人们往往会不知道自己身处何方，不知道来路和去路。或许正是因为如此，才有了著名的哲学三问：我是谁？我从哪里来，我要到何处去？

初期的导航系统

随着人类天文观测的深入，用星象来导航，逐步成为了一种常用的方法。特别是在茫茫大海上，人们除了漫天星斗和耀眼的太阳，几乎什么也看不到。然而天文导航也有着自己的缺点，最致命的问题就是精度不够。在风帆时代，船只航行的速度很慢，精度就成了一个性命攸关的问题。因为如果偏离了那么几度而没有找到大陆的方向，甚至仅仅是错过了港口几天的路程，船上的淡水喝完了、粮食吃完了，就有可能出人命。

因此航天技术出现以后，用人造卫星来给地球大气层以内的人们提供导航定位服务，就成了一种旺盛的需求。世界上第一种真正投入使用的卫星导航系统是子午仪系统，它采用的是多普勒导航技术。人们都很熟悉多普勒效应，也就是说，当人们迎着电磁波的方向前进，就会感受到频率有所提高，波长有所减少；反之就是频率降低和波长变大。子午仪系统在工程上取得了成功，但是依然存在着很多缺点，主要是定位的精度低，定位所需要的时间长，而且设备体积庞大，只能在比较大的船只上使用。

当然在无线电通信技术已经发明的时代，系统定位精度低，不见得会导致船员们饥渴而亡，不过对于航行的影响还是很大。特别是子午仪系统很难用在车辆、飞机的导航上。人们还是能希望，能够有一种更精确、更方便的手段来提高导航的精度和速度，提高航行的效率。

现代导航技术原理

一般来说，只有军事上的极端需求，才会促进工程上的巨大突破，卫星导航技术也是如此。上世纪70年代，美国海军为了解决弹道导弹核潜艇的导航问题，下定决心要求研制一种覆盖全球的新一代卫星导航系统，于是就催生了著名的GPS系统。GPS系统和子午仪系统最大的不同，就是改用了导航码来测定平台的具体位置，简单说就是，把一长串数字变成无线电波发射出去，在这款无线电波里包含了卫星的身份信息和时间信息。接收机利用这些信息，就可以计算出自己到卫星的距离是多少。

其中的原理是这样的：电磁波的传播同样是需要时间的，虽然从距离地球表面20200千米的GPS卫星上，发出的导航电文在转瞬之间就能够到达地球，耗时一般不超过0.1秒。然而高精度的电子系统却能够准确计算出，电波到底跑了多远，精确到米。那么根据几何学的基本原理，只要拿到3颗卫星的导航电文，就可以计算出接收机所在的具体位置，这就是GPS导航的基本原理。随后而建立起来的俄罗斯格洛纳斯系统、欧洲伽利略系统和中国北斗系统，都采用了同样的原理。

当然，因为各种电磁干扰因素的存在，3颗卫星信号计算的结果，很难得出精确的位置，接收机一般需要4颗卫星甚至更多，才能计算出精确位置。但是，GPS的优点在于定位速度很快，只要接收机的计算速度够快，就可以实现实时定位。这对于高速运动的物体有巨大意义，比如汽车、高速铁路、飞机、导弹，甚至低轨道卫星，都可以用GPS定位了。

飞机和低轨卫星的飞行高度比较高，所以往往可以同时接收到12颗GPS卫星的信号，对于导航来说条件就更好一些。

导航系统改变生活

对于GPS系统的应用，也让中国的有关部门充分认识到了全球卫星导航系统的必要性，经过20多年的艰苦努力，中国从区域系统到全球系统一步一步建立起了属于自己的北斗卫星导航系统，也成为全球四大卫星导航系统之一。

加上美国、俄罗斯和欧洲的导航系统，目前太空中已经有超过100颗导航卫星，在日夜不停地向地面发射着导航电文。这也为人们带来了另外一种思考：如果把这4个星座的服务融合在一起，能不能让用户获得更好的体验呢？这就是所谓的兼容互操作。目前，四大导航系统已经实现了兼容互操作，它所带来的最大好处就是在任何一个时刻，用户所能看到的导航卫星远远超过4颗，能够实现的导航效果当然也就更好了。几乎在任何一个时刻，我们拿出手机都可以得到自己的精确位置。

卫星导航的推出，让人们的生活发生了巨大变化。它与电子地图结合，实现了个人导航服务，无论走路、开车，都不容易迷路了。它与移动网络结合，还实现了远程监控，孩子们手腕上的儿童手表就是靠导航卫星来定位的。导航还解决了无人系统的导航问题，让无人机、无人车、无人船的远距离航行成为了可能。在疫情期间，很多人都要靠快递小哥来解决购物和吃饭的问题，有了卫星导航，快递小哥才能准确、及时找到买家的位置。

卫星导航当然也对战争产生了巨大影响，以往需要狂轰滥炸才能够摧毁的目标，如今发射一两颗导弹就能消灭。美国的GPS制导炮弹甚至要故意少装一些炸药，降低杀伤威力，因为它精度极高，可以准确砸在目标脑袋上，威力小一点也能保证摧毁，还能避免误伤旁人从而被舆论指责。

当然，随着俄乌冲突的爆发，GPS系统和格洛纳斯系统的合作被人为地中断了，但是对中国人来说，拥有北斗导航系统，我们的导航服务就有了基本的保证。