导航小史

    如今，无论你身在何方，只要轻触手机上或者车载的一个按钮，立刻就可以知道自己的位置——这就是卫星导航技术给我们带来的便利。不仅如此，它还能引导客机起降，检测地壳运动等。目前在运行的卫星导航系统主要有美国的GPS，俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS），欧洲的伽利略（GALILEO）和我国的北斗导航系统。

    在卫星导航技术发明之前，人们是怎样判断自己的位置和方向的呢？

    史前时期，人们将自己生活的环境、走过的路线等用符号标刻在树皮或兽皮上，这可以说是人类最早使用的地图。中华民族的祖先学会了通过观测北极星来辨别方向，之后又发明了指南针，并于12世纪传入欧洲。指南针是中国人对世界文明作出的一项重大贡献。

    20世纪20—30年代，人们发明了无线电测向技术。这种技术主要是利用电磁波的特性：在均匀理想媒质中沿直线传播，在自由空间的传播速度恒定，遇到障碍物时会发生反射。导航设备能测量出所在载体相对于导航台的方向、距离、距离差、速度等参量。二战期间，无线电导航技术迅速发展，成为当时航海和航空最重要的导航手段，至今仍在使用。但是无线电波易被发现和干扰，保密性不高，而且过分依赖导航台，一旦导航台失效，与之对应的导航设备便无法使用。

    卫星导航技术的源起很有戏剧性。1957年苏联发射了世界上第一颗人造卫星。作为冷战的对手，美国科学家对其十分关注。他们在通过无线电信号监测这颗卫星的动向时，偶然产生了一个灵感：把无线电导航信源从地面导航塔搬到卫星上去，不就可以通过卫星知道地面物体的位置了吗？这种技术运用了多普勒原理，即当一个波源和观察者产生相对运动时，观察者接收到波的频率就和波源原本的频率不相同了，波源离观察者远去时，波的频率会变高，波长会变短；反之频率变低，波长变长。

    美国科学家米德尔·基里特在20世纪60年代基于这个原理开发出了美国第一代卫星定位系统多普勒导航系统（DPL）。但是初期的卫星导航系统有两大不足之处：一点是信号只能间断使用，因为系统只有5～7颗低轨道运行卫星，对地球上的一点来说，经常会出现没有卫星信号覆盖的时间段，这对于长期性的测量、船舶导航以及大地测量等影响不大，但对于像飞机、火箭等高速运行载体的导航，则是致命的缺陷；另一点是由于系统对用户的速度敏感不足，仅能二维定位，因此不适合航空等多种领域的应用。

    随着技术的发展，第二代卫星定位系统GPS替换了DPL，不再运用多普勒原理进行定位，而是使用了伪码测距技术，GPS卫星在空中移动时会连续发射带有时间和位置信息的无线电信号，供GPS接收机接收，由于接收机和卫星有一定距离，接收机收到信号的时间会比卫星发射信号的时间延迟，通常称之为时延。卫星和接收机同时产生同样的伪随机码，一旦两个码实现时间同步，接收机便能测定时延，大家都知道电磁波是以光速传播的，所以将时延乘上光速，便能得到距离。而为了计算用户的三维位置和接收机时钟偏差，伪距测量要求至少接收来自4颗卫星的信号。

    或许可以这样说。导航史从一个侧面展现了人类文明的发展史，凝聚了无数人的心血与智慧，反映出人类不懈探索与追求的精神。