【航天甲子年50講】 22 導航衛星發展史

文：晟宇（視頻講解）

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前言

導航衛星的出現，非常深刻地改變了我們今天的生活，從最早的軍事領域逐步覆蓋了我們生活中和空間時間有關的各方各面。

可以說導航衛星系統也可以作為人類的一大奇蹟，其價值高度甚至可以說超過了載人航天和登月，切切實實地改變著我們的生活方式。

對於一個國家來說，導航系統更是具有極高的戰略性高度，以美國為例。美國經歷了幾次抵消戰略，第一次抵消的代表是核能力，實現巨大的打擊能力，而第二次抵消的代表就是具備了高精度制導能力的打擊模式，這種不對稱的巨大優勢在第一次海灣戰爭中體現無疑，精準的打擊完全抵消掉了過去對手那種依靠人數產生的優勢。

這裡導航衛星就扮演了最為核心的角色。

現代導航系統的探索

很多介紹導航系統的文章都會選擇從航海或者更早時代的天文、慣性定位的歷史開始介紹。我自己也寫過一篇類似的文章。

本次我們就從現代的導航系統開始介紹。現代隨著戰爭和航空航海的發展，對於更加精準和可靠的導航系統的需求變得越來越強烈。先後有羅蘭C系統，一種遠程雙曲線無線電導航系統。羅蘭C系統通過一個主台加上2個到3個副台，通過測量相位差來獲得目標的位置，它的測量範圍達到2000km，不過精度較差。

還有一個歐米伽導航系統，利用全球的8個站台實現全球覆蓋的導航定位，只是定位精度還是公里量級。

衛星來了

隨著蘇聯人把第一顆衛星送入太空，實際上衛星潛在的導航定位價值就已經淺現了。當科學家利用多普勒現象測量衛星位置的時候，突然來了靈感。既然可以用地面的站點來進行衛星的位置測量，那麼如果把這些站點搬到天上去，反過來測量地面上的目標位置不是也可以嘛。

靈感雖然來得快，實現它的道路卻是曲折而漫長的。首先還是需要有需求來做牽引吧。對於位置和方位信息很看重有有錢的是誰呢？答案顯而易見，軍方啊。尤其是海軍和空軍，尤其是有錢的美國海軍和空軍。

所以由美國牽引開始早起的導航衛星研究研製就是再自然不過的事情了。於是有了GPS全球定位系統的前身子午儀衛星系統Transit satellite。這個系統又叫海軍導航衛星系統，從60年代開始一直到80年代的二十多年時間裡發射了30多顆衛星，形成了對海面艦艇的潛艇的導航定位能力。

子午儀衛星運行在1100km左右的極軌軌道上，每個軌道面部署4到5顆衛星，所以我們可以知道這個系統並不能像今天的GPS系統一樣提供實時的定位信息，它的覆蓋間隔大概是90分鐘，也就是每隔1個半小時才有機會進行一次定位。

當然子午儀衛星也存在一些其他的問題，一個定位精度有限，一個衛星壽命較短，所以可以說子午儀衛星並不是一個特別成功的系統，但是卻為後來GPS系統的發展奠定了非常重要的技術基礎。

全球定位系統GPS

如今我們還是在用GPS指代導航定位衛星，可見GPS系統的重要地位。其實在子午儀衛星的使用過程中，一方面發現了子午儀衛星的各種不足之處，一方面隨著子午儀衛星的開發民用，所以看到了導航衛星存在的巨大潛在價值。所以從70年底早期開始美國就開始了一個全球全天時覆蓋的導航定位系統的方案研究，並先後發射了4顆實驗星。

在接下來的80年代，隨著地面網的逐步建成，空間系統的技術迭代，通過多顆實驗衛星驗證出來的定位精度遠超預期。於是GPS從1989年開始進入部署階段。到93年，全球覆蓋系統建成。

在海灣戰爭中，導航系統帶來的巨大效能讓全世界都震驚了。由此GPS系統以及成為了美軍的核心設施。隨著民用的開放，GPS在越來越多的領域發揮著巨大作用。

不但美軍越來越重視GPS的發展，在不斷地進行技術升級，持續更新換代，世界各國也都開始意識到不能對完全依靠美國提供的GPS服務。

紛紛開始了自己的導航衛星系統的研究。

GLONASS和GALILEO

當然這裡最應該講的是我們國家的北斗導航系統，不過晟宇覺得這個明顯應該單獨講一期，所以就先介紹一下另外兩個致力於構建全球覆蓋的GLONASS和GALILEO了。

GLONASS只能說是一個命途多舛又峰迴路轉的系統，最早在蘇聯時期，和美國幾乎有著同樣訴求的蘇聯也致力與導航衛星系統的研究，並於70年代開始了GLONASS系統的論證和研製工作。

然而由於各種因素，無論是儀器的精度，電子器件的水平蘇聯都和美國拉開了不小的差距，使得GLONASS系統的效果並不是很理想。同時由於衛星的壽命都比較短，需要不斷地補發衛星才能維持系統的正常運行。而蘇聯慢慢走向解體使得GLONASS長期處於降效運行。

直到俄羅斯政府重新意識到導航系統對於一個國家的重要性，重新投入大量的人力和物力使得GLONASS系統得以重新發展，構成一個獨立於美國GPS的全球定位系統，算是壟斷的打破者。

伽利略系統也是歐洲不甘於完全依賴美國的產物，然而參與者太多也是一個不小的問題。加上歐洲的某種精緻主義的工程精神，使得整個發展速度非常緩慢，也沒有避免掉一些曲折彎路。

下一次，我們來簡單聊聊導航衛星簡單的定位原理。

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