导航定位技术的发展史

王馨+朱丽+刘文婧

摘 要：在当今世界，导航已经成为人类从事政治、经济和军事活动所不可或缺的技术。对此，较为全面地介绍了全球导航定位技术的发展历程，重点介绍了星基导航的几种定位系统。

关键字：导航；定位； GPS；发展史

中图分类号：V324 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）11-0131-02

据传说，当年黄帝部落与蚩尤部落在涿鹿大战，突起狂风暴雨，由于有指南车的指引，黄帝的军队在大风雨中依然能够辨别方向，最终打败蚩尤。此外，还有古代丝绸之路长途跋涉的骆驼队，中国明代的郑和下西洋。在这些事例中，如果他们没有地物作参考/没有导航帮忙，是不可能成功的。由此，导航的重要性可见一斑。在汉语大词典中，导航的意思是：“引导飞行器或船舶沿一定航线从一点运动到另一点的方法。”随着科技的不断发展，如今导航已不仅仅应用在飞机、船舶等特定的交通工具上；在日常生活中，我们驱车自驾游、外出休闲徒步旅行或去未知地带探险等，都可以利用导航装置来为我们导航到希望的位置。

导航装置品种繁多，但大致可以分为陆基导航和星基导航两大类。从一般意义上讲，可以把那些将导航设施（或媒介）置于陆地上、导航信号作用范围限于电离层以下的空间、陆地和海洋上的导航行为，统称为陆基导航。由于陆基导航的精度较低，所以星基导航应运而生。

1 星基导航定位系统

由于陆基导航普遍存在定位精度低、信号覆盖范围有限等问题，难以满足现代航空、航海、军事和陆地车辆的高准确度导航定位的需要。所以，以GPS为代表的星基导航系统应运而生。自人造地球卫星问世以来，人类在星基导航定位技术的研究上投入了大量的人力和财力，走过了艰苦奋斗、不断创新、硕果累累的半个世纪，取得了巨大成功，翻开了导航领域崭新的一页，开创了空间技术为人类造福的新纪元。

1.1 首颗人造地球卫星

1957-l0，苏联成功发射了世界上首颗人造地球卫星，这颗卫星的成功发射标志着人类在空间科学技术领域进入了新纪元。此后，世界各国的人造地球卫星如雨后春笋般不断涌现，并在天文、气象和军事等众多领域得到广泛应用。可以说，人造地球卫星是星基导航技术的奠基石。

1.2 卫星多普勒导航系统

1.2.1 美国的海军导航卫星系统

人造地球卫星的出现，令各国的军事部门如临大敌，纷纷绷紧神经。1958年末，美国海军为了给北极星核潜艇在远海中提供全球性导航定位，委托霍普金斯大学应用物理实验室开始研制一种新的卫星导航系统，即美国海军卫星导航系统（Navy Navigation Satellite System，简称NNSS）。由于该系统的卫星通过地极，即沿地球的子午圈轨道运行，因此又被称为子午（TRANSIT）卫星导航系统。从1959—1961年这3年时间里，研究人员先后共发射了9颗实验性子午卫星。通过无数的努力，经过反复的验证研究，1964年，系统终于建成并正式投入使用。该系统由分布在6个轨道面上的6颗工作卫星构成，卫星平均高度为1 000 km，卫星运行周期约为108 min。TRANSIT卫星系统采用的是多普勒定位原理，起初主要为北极星核潜艇提供服务，之后逐步发展到各种船舶的导航。尽管该系统卫星数目少，运行高度低，观测卫星的时间间隔长，但它仍然推动了导航这一新兴领域的快速发展，开启了星基导航定位系统这一新篇章。

1.2.2 苏联的 TSICADA

受到美国TRANSIT系统的启发，前苏联立即着手开发自己的卫星导航系统。1965年，前苏联建立了与TRANSIT相似的卫星导航系统。该系统也由6颗卫星构成星座，高1 000 km，有6个轨道面，卫星运行周期约为105 min。该系统主要为前苏联军方提供服务。

1.3 美国的GPS

20世纪60年代初，美国国防部（DOD）、国家航空航天局（NASA）和交通部（DOT）认为子午系统无法满足军事和民用连续实施三维导航的迫切需求，更无法满足高动态用户的精密导航要求。他们希望能有这样一个卫星导航系统——可以实现全球覆盖、全天候工作，可以为高动态用户提供服务，并且拥有较高的精度。1973年末，美国国防部决定将陆海空三军种的研制工作统一起来，研制新一代的卫星导航系统，这就是我们现在所说的“导航卫星授时测距/全球定位系统”（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System），即GPS。这个项目历经二十余年的研制，花费百亿美元。1993年末，GPS可以进行初始运行。此时，它由分布在6个轨道面的24颗卫星组成。1995年初，GPS全面投入正常运行。

1.4 前苏联的GLONASS

为了应对美国的GPS系统，同时也为满足本国军事的需求，前苏联于1976年颁布了一个建立GLONASS的法案。1982-10，前苏联发射了这个系统的第一颗卫星。在1988年召开的一个国际会议上，前苏联表示各国可以免费使用GLONASS系统的导航服务。前苏联解体后，1993年俄罗斯总统叶利钦发表演说，提到GLONASS系统即将开始正式运行，成为一个工作系统。1994—1996年，在这3年时间里，俄罗斯逐渐发射卫星，并将24颗卫星星座全部布满，至此总花费达数十亿美元的GLONASS系统正式投入使用。到2005年上半年为止，已先后发射了80余颗卫星。

1.5 我国的北斗卫星导航系统

1983年，陈芳允首次提出了北斗计划，1994年我国确立了北斗计划。这一系统将支持制图、航天航空、导航、灾难应急救助和国防等方面的应用。2000-01，我国发射了第一颗北斗卫星，同年12月发射了第二颗。2003-05-25，我国在西昌将第三颗“北斗一号”送入太空。这颗卫星与前两颗一起构成了我国完整的卫星导航定位系统，即北斗卫星导航系统，简称CNSS.

北斗系统的成功建成，填补了我国星基导航定位领域的空白，使我国成为继美国GPS和俄罗斯GLONASS后，世界上第三个建立成熟卫星导航系统的国家。该系统的建立，将对我国国防现代化和国民经济建设有着重要的作用。2012-12-27，北斗系统在继续保留北斗卫星导航试验系统有源定位、双向授时和短报文通信服务的基础上，向亚太大部分地区正式提供连续无源定位、导航、授时等服务，民用服务与GPS一样免费。预计到2020年，将建成由5颗地球静止轨道和30颗地球非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统。

2 结束语

随着人类文明的快速发展和科学技术的日新月异，从原始时期的寻路、判别方向，到后来的陆基导航，再到现在的全球卫星导航定位系统，无不体现着人类智慧的结晶。卫星导航系统除了给人们日常生活提供便利外，还在科技、经济、军事领域发挥着不可替代的作用，它已经渐渐成为衡量一个国家综合实力的标准。

参考文献

[1]王惠南.GPS导航原理与应用[M].北京：科学出版社，2003.

[2]刘基余.GPS卫星导航原理与方法[M].北京：科学出版社，2003.

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〔编辑：李珏〕endprint