导航卫星：安装在太空中的“指路灯”

科普中国-科学原理一点通 2017-12-18

　　在日常生活中，人们出门越来越离不开导航，面对四通八达的交通网络，只要打开导航系统就不会迷路。你知道导航系统是如何工作吗？人类又是如何通过人造卫星来观察地面上的人与汽车呢？

　　导航卫星是如何指路的

　　古时候，人类依靠太阳、月球、北极星等星体来辨别方向，后来又发明了罗盘和指南针。直到20世纪，人类才发明了电信标，从此踏上了海洋船舶与航空器导航的新征程。

　　1957年10月4日，世界上第一颗人造卫星由前苏联发射成功，之后美国科学家在跟踪它的过程中发现了多普勒效应，他们认识到：通过卫星所测量到的多普勒频移，能够确定卫星的运行轨迹，而知道了卫星的轨迹，就可以反推出接收机所在的位置。这一科学发现帮助人类建立高精度、全天候的卫星导航定位系统。

　　很多人一想到导航系统，脑海中立即会出现“GPS”这三个字母，“GPS”开创了卫星导航的先河，因此被人们认为是卫星导航系统的代名词。那么，究竟什么是卫星导航系统呢？它又是如何给人类指路的？

　　卫星导航系统主要由三个部分组成，它们分别是用户定位设备、地面台站和导航卫星。我们以“GPS”为例来说明卫星定位系统的基本原理：“GPS”由32颗中高轨道卫星组成，它们均匀地公布在距离地面约20200千米的6个倾斜轨道上，以12小时的周期环绕地球运行。它们与地面台站组成网络，每隔1～3秒就会向全球用户播报信息，让地球上任何地方的用户都能够在任何时间接收到至少4颗卫星信号。

　　这些信号能够给用户提供最精确、最新的定位，其精度甚至可以达到5米以内。

　　“GPS”导航系统

　　人造卫星如何“看清”地面上的人和汽车

　　人类都渴望自己能够拥有“千里眼”和“顺风耳”，现代遥感卫星的出现帮助人类实现了这个梦想。遥感卫星在距离地球成百上千米的太空，仍然能够“看清”地面上的人和汽车，这是为什么呢？因为卫星上安装了高分辨率相机和各种遥感设备，它们就是卫星的“千里眼”。

　　卫星上安装的可见光学遥感相机，与平常生活中见到的相机没有本质上的区别，不过焦距却达到了几米到十几米，通光口径也很大，主镜头的直径有1米。只是加大镜头会受到材料及制造工艺的限制，为了解决这个问题，科学家又研制出了用电荷耦合器件模拟合成孔径的相机，得到的数据由计算机来处理，能够将多张数码照片叠加得到高清图像。

　　人造卫星在天上，如何才能拍出质量较好的照片呢？最重要的因素就是光照条件。光学遥感卫星要在有最佳日照时拍照，最佳轨道是高度在300～900千米之间的圆形太阳同步轨道。在这样的轨道之上，卫星距离地面的高度不变，而且卫星经过的所有区域都是白天最佳的光照时刻。良好的光照条件为拍照高质量照片打好了基础。

　　当然，虽然这些光学成像卫星都拥有“千里眼”，不过也有它们看不到的区域，比如处于阴暗处的被测目标，或者被云、雾、伪装物遮挡等等。由于光照条件不佳，甚至没有光照，卫星上的可见光相机就看不到了。

　　真正能够无所不见的是多光谱遥感和微波遥感技术，它们才是真正的“千里眼”。一台多光谱探测器既能够监测全球的气候变化，又能够对汽车进行精细的观测。