卫星导航，从“子午仪”开始

文/松堂

卫星导航从很大程度上来说是天文导航的衍生和发展，从远古时期人们就开始通过观测夜空中的星星和白天的太阳来确定自己的位置。在漫长的航海史中，人类发明了各种各样的天文观测仪器，最著名的就是所谓的六分仪。用六分仪对准太阳或者星星，通过一定的计算就可以确认自己在大海上的位置。这种测量的精度算不上太高，误差很大，但在那个没有无线电技术的年代，六分仪已经算得上是最可靠的导航手段了。只要把船只引导到陆地附近，天文导航就算完成了任务，因为在航线所经过的一些港口附近都会建设高高的灯塔，用来引导船只精确地找到自己的目的地。

到了大航海时代，欧洲的主要航海国家开始探索新的导航方式，也就是所谓的航海钟。航海钟的走时非常准确，船长可以通过速度方向时间的计算，来确定自己在海上向哪个方向走了多远。这种方法又比天文导航更加精确，大英帝国就是凭借在航海钟上的领先地位，建立起了更高效的海军，打败了法国和西班牙，确立了自己海上霸主的地位。围绕着航海钟，发生了很多惊心动魄的故事。

▲子午仪系统的2A卫星模型

子午仪导航卫星

无线电技术出现以后，海上导航系统很快建立起来。在港口的电台和船只之间，不但能用无线电波来通信，还可以通过多个陆地台站的无线电测向结合海图来确定航船在海上的位置，它的精度要比六分仪高多了。不过陆基无线电测向也有自己的问题。在地平线后面的另外一端，船只就收不到无线电信号了，很多时候还是要靠天文导航来解决问题。

那么能不能在天空中部署一些人工制造的星星，发射人为设定好的信号来达到更加精确的导航性能呢？答案当然是可以的。把路基的无线电导航台站搬到天上去不就行了吗？至于测距的手段就用多普勒频移好了。这就是人类历史上第一种定位卫星“子午仪”的设计原理。

在这里我们首先要说一下子午仪。作为卫星来说，“子午仪”只是一个代号，而真正的子午仪其实是一种天文仪器。它的主要功能，是测量恒星通过子午圈的时刻，也可以用来测定纬度。

至于子午仪导航卫星，它与苏联发射的第一颗人造卫星“信使”号——也就是“斯普特尼克”——有非常密切的关系。“信使”号上天之后，不但引起了政治上的震动，科学界也对它进行了密切观测。美国约翰-霍普金斯大学的两位学者在观测它发射的无线电信号时，发现卫星信号的多普勒频移曲线与卫星的运动轨迹之间存在着十分密切的联系。所谓多普勒频移，就是在无线电信号发射源接近接收机的时候，收到的信号频率逐渐升高；而远离接收机的时候，频率逐渐降低。如果在一个已知位置的点上测量频移，能够知道卫星的精确轨道。而反过来，如果知道了卫星的精确轨道，通过测量频移就可以推算出观测站的地理位置。

这个重大发现刺激了美国军方。当时正值美国海军导弹核潜艇发展初期，核潜艇如何知道自己的精确位置是个很大的麻烦。传统上，潜艇可以用惯性导航来测算自己的位置。但惯性设备存在着误差积累的问题，运行时间越长，误差就越大。理论上说，潜艇可以浮出水面来观测星空，修正惯性导航的误差，然而这样就丧失了潜艇的隐蔽性，让核潜艇的优势无从发挥。所以，美国军方在1958年就急切地启动了“子午仪”卫星计划，用上面所说的原理来实现核潜艇的导航。

▲ 北斗导航卫星示意图

▲ 子午仪卫星的结构

▲ 早期的子午仪系统地面站

1960年4月，“子午仪”计划第一颗卫星“子午仪1B”发射，用来验证系统总体方案和关键技术，特别是演示验证双频多普勒测速定位导航原理，取得成功。从1963年开始，“子午仪”计划开始发射实用型卫星，1964年第一颗定型的“子午仪5C-1”卫星发射，并交付美国海军。到1967年，整个“子午仪”星座建成，并且向民间开放服务。“子午仪”星座运行在距离地面1100公里的高度，5颗卫星就能实现全球覆盖。

“子午仪”解决了卫星导航定位的有无问题，在军民航海活动中发挥了重要的作用。然而它也仅仅是解决了有无问题而已，在定位的实时性、设备的易用性方面都不能让人满意。“子午仪”的应用从60年代延续到90年代中期，由于这个时期大规模集成电路的发展还不充分，计算机系统还大量使用晶体管乃至电子管，导致设备体积庞大。除了大中型海上平台之外，无论车辆还是飞机都很难容纳。这就限制了子午仪系统的应用。

最大的问题则是定位的实时性不够。因为工作原理和卫星数量的问题，全球范围内每天只能定位20次，有些地方要等8到12小时才能获得一次定位服务。每次要观察10多分钟才能获得定位解。而且由于轨道高度低、轨道控制手段不足，导致卫星轨道漂移严重，后期几乎完全丧失了精确定位的能力。

用新的卫星系统来替代“子午仪”，已经是迫在眉睫了。

GEOSTAR与“北斗”一代

为了替代“子午仪”，美国军方提出了GPS计划，并且在1973年开始实施。由于GPS投资大、建设周期长，人们一时间还看不到用它取代“子午仪”的前景。于是美国科学家格拉德-奥内尔等人提出了一个过渡性的方案，用地球静止轨道卫星发射无线电信号，来实现地面用户的定位，这个系统叫做GEOSTAR。GEOSTAR的主要用途是跟踪飞机，被称作“无线电测定服务”。它用3颗卫星来广播信号，可以覆盖整个美国。不过1986年发射的GEOSTAR-2卫星只工作了两个月就失效了，于是GEOSTAR系统只能用两颗卫星开展试验工作。就在GEOSTAR要大展宏图之际，奥内尔的身体状况越来越糟，无法再指导科研实验的开展。到1991年，GEOSTAR正式宣告破产，资产卖给了摩托罗拉公司。

应该说GEOSTAR是个相当不错的方案，但当时正值冷战高峰，美国和苏联进行着疯狂的军备竞赛，GEOSTAR虽然可以服务于航空用户，但美国军方一心想的是用卫星导航来支持核导弹。导弹作为一种高动态目标，显然不是GEOSTAR所能支持的，所以当GPS进入应用阶段后，GEOSTAR这样的方案就被美国人放弃了。

▲子午仪系统的AN-BRN-3接收机体积巨大

美国人不打算做的事情并不见得对其他人也没有价值。中国在启动卫星导航系统建设之初，国家的财力还不是非常充裕，同时从技术上的慎重性考虑，一步迈向全球定位系统那样的星座并不现实，因此北斗导航系统的第一代选择了类似于GEOSTAR的双星定位方案。

双星定位方案的北斗，同样是采用测距方式。首先，要由地面中心站向两颗卫星发射测距信号，卫星将信号功率放大后向服务区转播。服务区内的接收机在接收到卫星转发的测距信号后，发出应答信号，经过卫星中转到中心站。中心站根据应答信号的时间延迟，计算中心站——卫星——用户机的距离，中心站到卫星的距离是已知的，由此可以计算出接收机到卫星的距离。根据接收机分别到两颗北斗卫星的距离，可以各自做一个球形与地球表面相交，得到两个交点，一个在南半球，一个在北半球，这很容易通过接收机使用者的任务派遣方向来判断，于是就能得到接收机的具体坐标。最后，中心站将这个坐标经过卫星发送往接收机，接收机再经过卫星向中心站发送一个回执，如此完成一次定位。

▲美国海军用的子午仪系统接收机

双星定位虽然程序较为复杂、定位速度比较慢，但它让中国人第一次实践了卫星导航系统，掌握了包括原子钟导航电文、电离层改正等一系列重要的技术。北斗一代还在汶川地震等应急行动中发挥了重要作用。在它的基础之上，中国开始迈向区域化的北斗二代导航定位卫星系统。而北斗一代的短报文通信，在实际应用中发挥了意想不到的作用，作为一个优势在后续的北斗研制中保存下来。