有关卫星定位和导航的专题（2）: 从“子午线”开始的卫星导航

卫星导航很大程度上是天文导航的衍生和发展. 自古以来，人们通过观察夜空中的星星和白天的太阳来确定自己的位置. 在漫长的航海历史中，人类发明了各种天文观测仪器，其中最著名的是所谓的六分仪. 使用六分仪瞄准太阳或星星，您可以通过一定的计算来确认您在海上的位置. 该测量的精度不是很高，并且误差很大，但是在那个没有技术的时代，六分仪被认为是最可靠的导航方法. 只要船舶在陆地附近被引导，天文导航就可以完成任务，因为一些高灯塔将建在路线通过的某些港口附近，以引导船舶准确地找到目的地. 在大航海时代，欧洲主要航海国家开始探索新的航海方法，即所谓的导航时钟. 导航时钟的时间非常准确. 船长可以计算速度方向时间，以确定他在海上航行了多远. 这种方法比天文导航更精确. 大英帝国凭借其在航海钟表中的领导地位，建立了更高效的海军，击败了法国和，确立了其作为海洋之王的地位. 在航海时刻，发生了许多激动人心的故事.

▲2A子午线系统的卫星模型

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子午线导航卫星

随着技术的出现，海上导​​航系统迅速建立. 在与港口中的船只之间，不仅可以使用波进行通信，而且可以将多个陆地电台的指向方向与图表结合使用，以确定船只在海上的位置. 它的准确性比六分仪太高. 但是，陆基测向有其自身的问题. 在地平线的另一端，该船不再接收信号，许多时候仍然依靠天文导航来解决问题.

那么，是否可以在天空中部署一些人造星并发出人造信号，以获得更准确的导航性能？答案是肯定的. 将路基的导航台移到天空上不是很好吗？至于测距方法，则使用多普勒频移. 这是人类历史上第一个定位卫星的子午线的设计原理.

▲北斗导航卫星

在这里，我们必须首先谈论子午线. 作为卫星，“子午线”只是一个代号，而真正的子午线实际上是一个天文仪器. 它的主要功能是测量恒星经过子午线的时间“子午仪”导航卫星系统，也可以用来确定纬度.

关于子午线导航卫星，它与苏联发射的第一颗卫星“信使”（即“人造卫星”）有着密切的关系. “信使”号升天后，不仅引起了政治震惊，而且科学界也对其进行了密切观察. 当约翰·霍普金斯大学的两位学者观察到它发出的信号时，他们发现卫星信号的多普勒频移曲线与卫星轨迹之间存在非常密切的关系. 所谓多普勒频移是指当信号传输源靠近时，接收信号频率逐渐增加；当远离时，频率逐渐降低. 如果在具有已知位置的点处测量了频移，则可以知道卫星的精确轨道. 相反，如果知道了卫星的精确轨道，则可以通过测量频移来推断观测站的地理位置.

▲经络卫星的结构

这一重大发现刺激了美军. 那是美国海军导弹核潜艇发展的开端，要知道它的确切位置是一个很大的麻烦. 传统上，潜艇可以使用惯性导航来测量其位置. 但是惯性设备存在误差累积的问题. 运行时间越长，误差越大. 从理论上讲，潜艇可以浮出水面观察星空并纠正惯性导航的误差. 但是，潜艇的隐蔽性消失了，核潜艇的优势无法发挥. 因此，美军在1958年急切地启动了“子午线”卫星计划，利用上述原则实现了核潜艇的导航.

1960年4月，“子午线”计划发射第一颗卫星“子午线1B”，以验证总体系统计划和关键技术，特别是对双频多普勒测速定位和导航原理的演示和验证. 并取得成功. 从1963年开始，“子午线”项目开始发射实用的卫星. 1964年，第一颗“子午线5C-1”卫星被发射并交付给美国海军. 到1967年，整个“子午线”星座建成并向公众开放. “子午线”星座运行在距地面1100公里的高度，并且有5颗卫星可以实现全球覆盖.

▲早期子午线系统地面站

“子午线”解决了卫星导航和定位问题，并在军事和民用航海活动中发挥了重要作用. 然而，这仅解决了问题，并且在实时定位和设备的易用性方面不令人满意. “子午线”的应用从1960年代持续到1990年代中期. 由于在此期间集成电路的开发不足，计算机系统还使用了大量的晶体管，甚至电子管，从而导致了庞大的设备. 除了大中型海上平台，车辆和飞机都难以容纳. 这限制了子午线系统的应用.

最大的问题是实时定位不够. 由于工作原理和卫星数量的问题，世界上每天只能进行20个定位. 有些地方必须等待8到12个小时才能获得定位服务. 每次需要花费超过10分钟的观察时间来获得定位解决方案. 此外，由于低轨道高度和不充分的轨道控制方法，卫星轨道会严重漂移，并且在稍后阶段几乎完全丧失了精确定位卫星的能力.

即将用新的卫星系统取代“子午线”.

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GEOSTAR和“北斗”一代

为取代“子午线”，美国军方提出了一项GPS计划，该计划于1973年实施. 由于对GPS的大量投资和较长的建设期，人们尚未看到替换“子午线”的前景. ”. 因此，美国科学家Glad-Onel和其他人提出了一项过渡计划，即使用对地静止卫星传输信号来实现地面用户的定位. 该系统称为GEOSTAR. GEOSTAR的主要目的是跟踪飞机，这被称为“放射线测定服务”. 它使用3颗卫星来广播信号，并且可以覆盖整个美国. 但是，1986年发射的GEOSTAR-2卫星仅运行了两个月就失败了，因此GEOSTAR系统只能使用两颗卫星进行测试工作. 在GEOSTAR制定雄心勃勃的计划时，Onell的身体状况越来越差，他不再能够指导科学实验的发展. 到1991年，GEOSTAR正式宣布破产，并将资产出售给了摩托罗拉.

▲经络系统的AN-BRN-3接收机巨大

应该说，GEOSTAR是一个相当不错的计划，但是那是在冷战的高峰期. 美国和苏联参加了疯狂的军备竞赛. 尽管GEOSTAR可以为航空用户提供服务，但美军仍在使用卫星导航为其提供核导弹. 作为高度动态的目标，GEOSTAR显然不支持导弹，因此当GPS进入应用阶段时，美国人放弃了GEOSTAR之类的程序.

美国人不打算做的事情不一定对其他人毫无价值. 在中国启动卫星导航系统之初，该国的财政资源仍不充裕. 同时，考虑到技术上的审慎性，转向像全球定位系统这样的星座是不现实的. 因此，第一代北斗导航系统选择了类似于GEOSTAR的两星级定位解决方案.

北斗在双星定位方案中也使用了测距方法. 首先，地面中心站将测距信号发送到两个卫星，然后卫星将信号功率放大并将其中继到服务区域. 服务区的接收到卫星发送的测距信号后，发出响应信号，并将其通过卫星传递到中心站. 中心站根据响应信号的时间延迟来计算中心站，卫星和用户计算机之间的距离. 从中心站到卫星的距离是已知的，因此可以计算从接收机到卫星的距离. 根据与两颗北斗卫星之间的距离，可以制作一个球体与地球表面相交，并得到两个相交点，一个在南半球，一个在北半球. 然后可以获得接收机的特定坐标. 最后，中心站将此坐标通过卫星发送到，通过卫星将回执发送到中心站，从而完成定位.

▲美国海军的子午线系统

尽管双星定位程序更加复杂且定位速度较慢，但​​它使中国人可以首次实践卫星导航系统，并掌握一系列重要技术，包括原子钟导航信息和电离层校正. 北斗一代人在汶川地震等紧急行动中也发挥了重要作用. 在此基础上，中国开始走向区域化的北斗导航卫星系统. 北斗一代的短消息通信在实际应用中发挥了意想不到的作用“子午仪”导航卫星系统，并在随后的北斗开发中保留了下来，这是一个优势.

本文最初发表于2019年第9期《太空探索》，作者是宋棠

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