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趣话全球定位系统

2000-06-05 00:00作者:佚名出处:北京青年报责任编辑:

3月28日北京时间5时,北约向南联盟发动了第四轮空袭。英勇的南联盟击落了美国F—117隐形飞机。之后仅用了7个小时,跳伞的飞行员就利用全球卫星定位系统GPS)仓皇逃走。全球卫星定位系统又一次显示了它在战争中的巨大作用。
  航行在茫茫大海中的舰船,奔跑在大地上的车辆,穿梭在蓝天中的飞机,遨游在太空中的卫星、导弹……处于移动中的物体,如果不知道自己所处的位置,后果将很难设想。今天,随着航天技术的发展,作为继阿波罗登月飞船、航天飞机计划之后,航天三大工程之一的全球卫星定位系统(GPS)的开通,为人类解决了这些难题。
  偶然发现引来的技术革命
  1957年前苏联第一颗人造卫星升空后,美国霍普金斯大学应用物理研究所的研究人员,在对卫星电波进行遥测时偶然发现:如果对已知轨道上的卫星所发出电波的多普勒效应进行测定,那么,就能精确地知道接收这种电波的地点和位置。
  1960年4月美国第一颗导航卫星“子午仪”升空,开始了导航卫星的新时代。虽然导航卫星的发射和使用为地球移动物体的导航提供了前所未有的手段,然而,在使用中也明显地露出其弱点:导航卫星绕地球两极飞行,不能随时定位,而必须等卫星飞到头顶上才能定位,并且一次定位需要十多分钟,这样长的定位时间,显然用于对高速移动的物体定位显得力不从心。
  因此,70年代后期,特别是进入80年代以来,美国调集陆海空三军力量,旨在建立一个在世界上任何地点都能进行三维定位的系统,该系统被称为时距导航系统,或称全球卫星定位系统,简称GPS。该系统是美国继阿波罗登月、航天飞机研制后,不惜花费130亿美元建设的第三项十分庞大的航天计划。其目的就是要把发展GPS作为促进整个无线电导航现代化的核心,成为完善星球大战计划和战略导弹防御体系的一个重要组成部分。
  整个GPS系统由空间部分、地面控制部分和用户接收设备三大部分组成。空间部分由21颗GPS卫星和3颗备份星组成,这些卫星在距地面约2万千米的准同步轨道上绕地球运行,运行周期为11小时58分。每颗卫星会不间断地发出自己所处的位置及时间等信号,地球上的任何一个地方至少都能同时看到4颗GPS卫星,因此,在地球上的任何地点、任何时间都可以通过接收机同时收到来自4颗卫星的信号。
  控制部分用来控制GPS卫星在轨道上的运行状态。除了在美国科罗拉多州设有控制中心外,在南太平洋、南大西洋、印度洋和夏威夷等处,还分别设立5个监测站,用来跟? 监测每颗卫星的轨道运行情况,并将有关信息发回到控制中心进行处理,以确保卫星能按正确的轨道信息运行。
  用户接收部分,即全球卫星定位系统接收器(GPS接收器)。它用来接收卫星发出的位置、时间等信号。
  GPS所以能进行定位,是通过测定由3颗卫星发出的信号至测定点接收到信号所需要的时间,计算出测定点到3颗卫星的距离,再根据各卫星当时所处的位置信息,就可以计算出测定点的经纬度。对于地面运行的物体,知道了这两个信息,就知道了其所处的位置,而对于在天上飞行的物体,还需要知道所处的高度,第四颗卫星发来的信号,便是用来确定高度的。
  美国GPS星座系统已于1994年全部建成,并正式投入使用。这些卫星上都装有30万年内误差不超过一秒的原子钟,分别以粗码和精码连续不断地向地球发送时间和位置信息,其中,粗码供民用,精码提供给军方使用。精码一次定位精度为15平方米,经过多次定位,其精度可达一平方米以内。可用于对陆地上的部队、装甲车和火炮提供精确的位置,为海上的舰艇、海港领航员和空中的飞机导航,此外,还可为太空中的航天器和导弹提供精确的位置。
  GPS创造的迷人神话
  据有关报道,今年3月28日北京时间凌晨5时,当中弹的F—117战机的飞行员从座舱弹出的一瞬间,他就被包括全球卫星定位系统在内的一些感应装置跟踪,高悬于太空的卫星迅速将有关信息传送给北约军事指挥部,营救小组仅用20分钟就作好了准备,登上了“黑鹰”直升机,将飞行员救走。
  尽管1991年的海湾战争已经成为历史,但GPS系统在那场战争中的表演,仍然使人们记忆犹新。
  在海湾战争中,美军就将GPS接收机安装在装甲车和直升机上。据有关资料,在战争中,美军使用了一万多个只有香烟盒那么大的“斯巴藤”GPS接收机,可以装在口袋中,不用向导部队也不会迷失方向。海湾战争中,多国部队正是通过GPS系统提供的精确位置计算等情报后,才迂回绕过伊拉克共和国卫队,直插前方薄弱环节,形成前后夹击的态势。
  通过GPS定位,可以使战斗机和加油机在空中准确地接合,顺利完成空中加油;可以使货运飞机准确地把货物投放到8~12平方米范围内的地面区域,及时准确地支援地面部队。用GPS测定雷场位置更是奇妙无比。海湾战争后,在科威特的扫雷人员广泛使用了GPS设备来测定雷场,它能将地雷的位置精确到一平方米以内。在战场内,共清扫了175万颗雷、弹,创造了现代战场扫雷的一大奇迹。因此,荷兰赴柬联合国维和部队也买了数十台手持式GPS接收机,供其在柬执行爆破物处理任务人员使用。
  利用GPS可以进行“智导航”,GPS接收机提供的自纠错导航情报,可以使现有的地形扫描技术更加完善。美国利用GPS技术改进了“战斧”式巡航导弹,大大增加了导弹对地面目标的识别能力。
  全球卫星定位系统前景无限
  当今世界,在三大航天工程中,就其用途而言,GPS当属首位。在今天世界的每一个角落,GPS正日夜不停地为用户提供全球范围连续、实时的三维位置,三维速度及授时服务。
  GPS系统作为迄今最好的导航定位系统,已经引起各国军事部门的广泛关注。在今天的战争和防务中,没有GPS简直不可想象。
  据有关报道,继美国之后,俄罗斯开发了可以相互兼容的GPS和GLONASS两套系统,这两个系统既可以相互补充,提高定位、定姿的精度,又可以单独工作,使可靠性大大提高。此外,据报道,欧空局也将开发类似的全球导航系统,这一系统不久将投入使用。
  国内的许多科研部门都在致力于研究开发GPS技术。我国双星星地测试系统,早在1995年就完成了技术鉴定,并达到了国际先进水平。在未来的发展中,中国将在导航定位卫星的研制上有所作为,为此,将从国情出发,研制一种由两颗地球静止轨道卫星组成的双星导航定位系统,为我国的车辆、船只、飞机等开展导航定位服务,从而提高指挥和调度交通运输的能力。
  GPS系统的成功运行,极大地引起了民用部门的普遍关注。GPS系统巨大的商业价值,引发了一场大规模开发挖掘GPS应用潜力的竞赛。据美国GPS产业协会的估计,GPS产值1995年为20亿美元,2000年预计将达到86亿美元,2005年可能增长到310亿美元。

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