十三、导航卫星

1957年前苏联第一颗卫星上天后，美国科学家在跟踪这颗卫星时，发现收到的无线电信号有多普勒频移效应，即卫星飞近地面时，接收机收到的电信号频率逐渐升高，卫星飞离时，频率就逐渐降低。这就启发航天科学家们想到，利用地面站测出的卫星电信号多普勒频移曲线，就可以确定该卫星的运行轨道。反之，如果知道了卫星的精确轨道，就能够确定接收机的位置。这一发现，揭开了人类利用卫星进行导航定位的新纪元。根据这个原理，1958年底美国开始实施卫星导航计划。1960年4月13日，美国用“雷神—艾布尔”运载火箭把世界上第一颗实验导航卫星“子午仪1B”号送入太空轨道。卫星上的主要设备是一台频率极为稳定的无线电发射机，可以连续发射频率为150兆赫和400兆赫的电波。

这颗卫星在任何天气条件下，试验对船舶进行导航的情况。1963年12月5日美国发射第一颗实用型导航卫星“子午仪5B”号，由6颗卫星组成实用的导航系统，每颗卫星间隔布置，各自运行在高约1000千米的圆形极地轨道上，定位精度可达50至10米。同地面无线电导航相比，子午仪导航卫星集中了远程无线电导航台全球覆盖和近程无线电导航台高定位精度的优点，仅用几颗卫星组成的太空导航星座就能提供全天候的全球导航覆盖。因此自子午仪卫星上天以来，它的用户遍及全球，成功地为各种军用舰艇和民用船只进行导航定位，还广泛用于海洋测量、石油勘探以及大地测量等领域。

子午仪卫星导航系统虽然可以完成定位的任务，但它还不能给出高度和速度信息，也不能进行连续而快速定位，精度也远不能满足要求，因此人们渴望这种卫星的功能有进一步改进。1973年底，美国制定了“导航星”全球定位系统计划，提出了研制第二代导航卫星工程。导航星全球定位系统由太空星座、地面台站和用户设备三大部分组成。太空星座包括18颗工作星和3颗备用星，均匀分布在6个轨道面内，采用圆形倾斜中高轨道，高20000千米左右，倾角63度，周期为12小时。如果用户装有与卫星同步的时钟，就能准确确定导航信号从卫星到用户的传播时间，乘上电波传播速度就得到卫星到用户的距离。要是同时接收3颗卫星发射的信号，就可确定用户的位置坐标；要是同时收到4颗卫星发射的信号，就能进行精确定位和测速，并能给出精确时间。这个系统使全球任何地点和近地空间的用户至少能同时看到4颗以上导航星，这就保证了连续的全球立体覆盖和三维定位能力。军用定位精度可达10米多，民用定位精度为100米左右；测量速度的精确度达每秒0．1米，授时的精确度小于1微秒，它能实现近于实时导航，一次定位时间仅要几秒到几十秒，这对高速飞行的飞机、导弹导航具有特殊的意义。(www.daowen.com)

目前，导航星全球定位系统在轨道上运行的卫星已有16颗，其中5颗属试验型，11颗为工作型。全部部署完成共24颗导航星，其中21颗工作星、3颗备用星。这种导航星有两种型号：一种重约450千克，另一种重约787千克。它们以1575兆赫和1228兆赫频率向地球发送信号。这种导航星全球定位系统比早先的子午仪导航卫星的用途又开拓许多。各种军用舰艇和商用船只装上导航星接收设备，就可在全球海域航行，随时进行高精度定位和测速，适用于舰队海上巡逻、海上军事演习和协同作战、海基导弹发射，以及海洋测量、石油勘探、海洋、捕鱼、浮标设立、管道铺设、暗礁定位、海上交通管制等。

各种军用和民用飞机装上导航星接收设备，就能在广阔空域翱翔，随时获得连续实时的高精度三维位置和速度数据，适用于飞机着陆、中途导航、空中加油、空中支援、空中侦察、航空绘图、空投物品、空中交通管制等。部队通过导航星提供的精确位置和时间基准，在军队联合演习或战争期间，可帮助陆海空军协同作战。对于从事测绘、地质和资源调查的野外工作人员，特别是进入人烟稀少的沙漠地区、原始森林和深山野林的探险才和考察者，只要带一台背负式导航接收设备，就不致迷路。如果导弹武器装上导航星接收设备，可进行飞行修正，使之按预定弹道飞行，提高命中目标的精度。还有，人造卫星、宇宙飞船等装上导航星设备进行导航定位的校时，能大大降低对地面跟踪测轨和星上计算能力的要求，显著提高精度。导航星还为实现高精度全球卫星授时，对经济发展、科学进步和国防建设也都有着重要的作用。导航卫星犹如太空“灯塔”，照耀全球各个角落，在陆、海、空、天四大领域大显身手，履行它的精确导航定位责任。