导航技术：全天候定位

在古代，人们在茫茫大海上或一望无垠的沙漠上迷失方向的故事不计其数。在当今的历史条件下，人们的活动空间尤其是军事活动空间进一步拓展，不仅有茫茫大海，还有深奥的太空。但奇怪的是，军事环境变得复杂了，战争中迷路的现象反而比过去更少了，为什么呢，这就要细细探究一下现代导航技术了。

现代的导航技术均是天基的，美国于1960年4月发射了第一颗导航卫星——“子午仪”，1964年7月组成导航卫星网正式投入使用。为发展三维、全球、实时和高精度的导航卫星系统，20世纪70年代初美国开始研制第二代导航卫星——“导航星”，组网成为全球定位系统，即大家现在所熟悉的GPS。与此同时，苏联/俄罗斯也在发展其导航卫星系统，先后发展了“蝉”和“全球导航定位系统”（CLONASS）。这些系统的管理权均掌握在各国的军队手中。此外，欧洲也在谋求建立自己的导航卫星系统——“伽利略”。

导航卫星按导航方法分为多普勒测速和时间测距两类。前者以美国发射的“子午仪”系列为代表，后者以美国发射的“导航星”全球定位系统（GPS）为代表。卫星导航系统由多颗导航卫星构成的导航星座、卫星跟踪站、数据注入站、时统中心、计算中心和控制中心以及用户接收设备等组成。导航卫星在空间作有规律的运动，它的轨道位置每时每刻都可以精确预报。用户接收卫星发来的无线电导航信号，通过测量信号到达的时间或信号的多普勒频移，分别获得用户相对于卫星的距离或距离变化率等导航数据，并根据卫星发送信号的时间、轨道参数求出定位瞬间卫星的实时位置坐标，从而确定用户的地理位置坐标（地理经纬度）和速度矢量分量。

GPS的空间部分由24颗卫星组成一个卫星星座，其中21颗为工作卫星，3颗为备用卫星。每颗卫星重845千克。卫星高度为20180千米，均匀地分布在围绕地球的6个轨道平面上运行，轨道平面向赤道平面倾斜55°，卫星绕地球运行一周的时间是11小时56分，这样就可以保证在世界任何地方，都至少同时可以看到4～6颗卫星，保证其三维导航能力和全球立体覆盖。卫星上装着7万年误差不超过1秒的原子钟，并以两个不同频率的电磁波连续不断地发射卫星的时间和位置信号。

GPS卫星空间分布图

GPS的地面监控部分由1个主控站、3个上行数据发送站和5个监控站组成，它们分布在美国全境内。每个监控站用GPS接收机被动跟踪视场内的所有卫星，收集数据并将其发送到设在科罗拉多州的主控站，计算相应的卫星轨道、卫星星历、时钟漂移和卫星传输延迟等。然后由主控站通过3个上行数据发送站的地面天线，每隔12小时将每颗卫星的导航电文发射到卫星，更新卫星上的导航数据。GPS的用户终端设备由天线、接收器、数据处理器和显示装置组成，我们通常所能见到的GPS接收机大体都是如此。用户设备依靠比噪声信号还低的信号来进行导航，它能完成卫星信号捕获、信号处理、导航处理、坐标转换、将导航定位信息显示在接收机屏幕上等功能，导航定位可在数十秒至几分钟内完成。

GPS可为地面车辆、人员及航空、航海、航天等领域的飞机、舰船、潜艇、卫星、航天飞机等进行导航和定位；可用于洲际导弹的中段制导，作为惯性制导系统的补充，提高导弹的精度；还可用于照相制图和大地测量、空中交会和加油、空投和空运、航空交通控制和指挥、火炮的定位和发射、外弹道测量、反潜战、布雷、扫雷、船只位置保持、搜索和营救工作等。海湾战争中，美军就是利用GPS为海、空军导航，使地面部队在沙漠地区行军作战不致迷失方向。

目前，由于GPS发送两种频率信号，因此，它可提供两种精度的定位和时间导航信息。一种为军用，三维空间定位精度可达15米，测速精度0.1米/秒，时间同步精度为20～30纳秒。另一种为民用，水平定位精度约100米，垂直精度为156米，测速精度0.3米/秒，时间同步精度500纳秒。随着科学技术的发展，现已出现了差分GPS技术，使一次定位精度已达1米，多次定位精度可达分米甚至厘米的数量级。在近期发生的几场局部战争中，GPS系统为军事行动提供了重要的支持，而美国对外提供服务的就是民用的信号。同时，美国为防止其他国家将GPS技术应用于军事，还在民用码上加了一种“选择可用性（SA）干扰”，通过在卫星的导航电文中加入误差信息，使粗码的定位精度下降到100米左右。目前，商品化的GPS接收机全部使用这种粗码，并且根本接收不到精码信号。此外，美国还对精码进行了加密处理，以防止军用的高精度数据被“盗取”和干扰。美军的如意算盘是借这种方法获取导航上的军事优势。另外的一个“绝招”，那就是由于美国每天负责向空间的24颗GPS的导航卫星发送星历和卫星时钟的修正值，所以，一旦有战争需要，只要实时地在送入卫星的调控数据里稍微做点手脚，定位点就会发生偏差，对方来袭的靠GPS制导的导弹只能是“丈二和尚，摸不着头脑”，偏离目标再远，也会显示准确击中。

随着中国航天技术的不断进步，我军也已经初步具备了空间信息支援能力，如在导航定位、空间通信等方面都取得了一定成就，继2000年初发射“烽火一号”军用通信卫星后，又在不太长的时间内相继发射了“尖兵三号”和“北斗一号”军用卫星，可覆盖中国领土、领海及关岛附近海域，基本解决了总部、各军兵种、各战区指挥部门与各种移动平台之间的移动通信问题，解决了大地域（卫星覆盖）范围内运动通信和诸军兵种协同通信问题，能够有效保障战役、战术指挥、情报传递的中远程移动通信。从2007年4月14日，中国成功发射了第一颗北斗导航卫星开始，至2010年6月2日，我国又连续发射了3颗北斗导航卫星，标志着北斗系统由一代开始向二代过渡，并计划于2020年建成由35颗左右卫星组成的“北斗导航定位卫星系统”，实现全球定位。届时，我军导航定位能力将大大提高，再也不会受美国的制约了。