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“北斗”因何而生(新知·卫星导航与中国北斗①)

2012年03月01日15:04    来源:人民网-《人民日报》     手机看新闻

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北斗卫星导航示意图


  更多卫星导航系统的存在,增加了精度,提高了稳定性,提高了可靠性。美国GPS,俄罗斯格洛纳斯,欧洲伽利略,中国北斗,群星璀璨的星空,北斗仍然会闪出它的光芒。

  一个人、一个国家都需要卫星导航

  我们最常见的问题是,打电话,我在哪儿?你在哪儿?我怎么去你那儿?遇到危险了,需要救援,我们怎么到你那儿?因此需要定位。

  北京西站在什么地方?如果你的回答是在地球上,你是正确的,如果说在地球的什么地方,你说在中国,更正确了。在北京,又精确了一步。在北京什么地方?大概是北纬39度53分,东经116度19分。这时候还不知道在哪儿。我们不仅需要定位,还需要一个参照物,要引导,要参照,这才叫导航,不仅仅是定位。所以,导航和测绘是密不可分的。

  我们行人借助地图,飞机利用无线电、航标导航,舰船利用无线电、航标、天文进行导航,汽车利用各种卫星导航系统和地理信息系统导航。所以,我们的日常生活离不开导航。汽车变成我们的代步工具,当你到一个陌生的地方,不仅需要卫星的导航,可能还需要很多参照物。我们其他的载体,比如我们的飞机、导弹、坦克、火车、舰船等等都需要导航。

  我们生活在地球,大家知道,地形是极其不规则的,我们看到的地图又是极其规则、美丽的。从不规则的地球到规则的地图,我们最核心的一步是要定位,要做控制,否则这个地图是不精确的。我们定完位,把它移到一个球体上再到一个圆柱体上,然后再展开成一个平面,再做纠正,这样才能拿到我们手上的地图,所以关键环节是定位。

  一个国家必须有自己独立的坐标系统,我们的卫星都在围绕地球运行,要确定这个坐标系统,卫星导航是最最重要的手段之一。我们生活在一个始终变化着的地球,日本去年刚发生过大地震,可以说每时每刻我们脚踩着的地球都在变化,监测这个变化的手段就是卫星导航。我们每时每刻每秒都在观测,把这个数据处理完以后,我们就会给大家提供这样一张图出来——中国的地壳是这样运动的。这就是导航定位。

  导航原理简单,卫星导航工程很复杂

  导航的基本原理是什么?其实导航简单得不能再简单。古代,我们的猎人们根本没有什么知识,更没有导航知识,他走到森林里,他会做很多记号,这就是做导航,然后返程时通过记号回来。郑和下西洋,他用的是罗盘,也就是指南针,航海要进行导航。我们用地图、影像、地形做了这么多导航,还可以用星辰。我们看太阳,用脉冲星射线,还有无线电导航等等。

  如果有两个观测者,他们两人的坐标已知,相互距离也已知,测一个角度,就可以把位置点算下来,这大概是中学生也学过的知识。卫星导航的原理也是如此。利用已知多个卫星的位置,将所需的点的位置计算出来(全球四大卫星导航系统都采用三球交会的几何原理来实现定位——编者)。

  当然,原理即使简单,但是科学构成极其复杂。因此卫星导航是极其复杂的工程。大家知道,卫星在我们大气层之上,无线电信号是要通过大气层的,你不得不考虑大气各种因素对信号的影响;人生活在地面上,可能还有楼房等固体物体遮盖;我们还生活在电磁场当中,还有很多高压线,都可能产生干扰,你就不得不考虑这么多障碍物的影响。此外,还要考虑频率问题、信号捕获问题、时钟精度和稳定性的问题,这是一个极其复杂的科学工程。

  中国最初的北斗卫星导航试验系统,原理就是双星定位,已知两个卫星的位置,测一个点测不下来,就加上地面高程,就能计算出这个点的三维坐标。它的导航原理就这么简单。但是,我们这个试验系统应该说解决了国家当时的急需,解决了有无问题,为北斗卫星导航系统发展积累了经验,也为中国电子产业的发展注入了新的活力,为中国卫星导航争取了国际地位。

  北斗卫星导航系统工程总设计师孙家栋院士说,中国的北斗是世界的北斗,中国的北斗不仅为中国人作出贡献,也为世界人作出贡献。更多的卫星导航系统的存在,增加了精度,提高了稳定性,提高了可靠性。美国GPS,俄罗斯格洛纳斯卫星,欧洲伽利略卫星,以及北斗,群星璀璨的星空,北斗仍然会闪出它的光芒。

  (作者为中国科学院院士,本报记者余建斌整理)
(责任编辑:黄子娟)

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