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导航卫星
导航卫星

navigation satellite

为地面、海洋、空中和空间用户导航定位的人造地球卫星。导航卫星属于卫星导航系统的空间部分,它装有专用的无线电导航设备。用户接收卫星发来的无线电导航信号,通过时间测距或多普勒测速分别获得用户相对于卫星的距离或距离变化率等导航参数,并根据卫星发送的时间、轨道参数求出在定位瞬间卫星的实时位置坐标,从而定出用户的地理位置坐标(二维或三维坐标)和速度矢量分量。1960年 4月美国发射了第一颗导航卫星子午仪1b。此后,美国、苏联先后发射了子午仪宇宙导航卫星系列。通过国际间合作还发射了具有定位能力的民用交通管制和搜索营救卫星系列。

美国全球定位系统(gps)和苏联全球导航卫星系统(glonass )是以卫星星座作为空间部分的全球全天候导航定位系统。gps采用18颗工作星和3颗备份星组成gps空间星座。glonass采用24颗工作星和3颗备份星组成glonass空间星座。
(图为伽利略卫星定位系统模拟图)

目前我国也有了自己导航卫星“北斗一号卫星导航定位系统”,是区域性有源三维卫星定位与通信系统,英文缩写cnss。它是继美国的gps、俄罗斯的clonass之后的第三个成熟的卫星导航系统。



那么,导航卫星是怎么发展起来的呢?

说起指南针,人们是很熟悉的。它作为我国古代劳动人民的四大发明之一,不仅帮助我国古代人民远涉重洋同世界各国人民架起了友谊的桥梁,而且对世界文明的发展作出了贡献。指南针的奥秘在哪里呢?原来,所有磁体都具“同极性相斥、异极性相吸”的特性,而地球本身就是一个大磁体,这个大磁体和小磁针由于“同性相斥,异性相吸”,磁针的南极总是指向地球的北极,即指向南方。指南针成了人类导航的工具。根据指南针的原理做成的船舶导航仪器就叫罗盘(磁罗盘)。把一根磁棒用支架水平支撑起来,上面固定着一个从0度到360 度的刻盘,再用一航向标线代表船舶的纵轴,这就是一个简单的磁罗盘。刻度盘上的零度与航向标线之间的夹角叫作航向角,表示船舶以地磁极为基准的方向。这样,在茫茫大海中航行的船舶,可根据夹角的大小判断出航行的方向。

但是,由于地磁场分布不均,常使磁罗盘产生较大的误差。

20 世纪初无线电技术的兴起,给导航技术带来了根本性的变革。人们开始采用无线电导航仪代替古老的磁罗盘。由于无线电波不受天气好坏的影响,它在白天夜里都可以传播,所以信号的收、发可以全天候。用无线电导航的作用距离可达几千公里,并且精度比磁罗盘高,因此被广泛使用。但是,无线电波在大气中传播几千公里过程中,受电离层折射和地球表面反射的干扰较大,所以,它的精度还不是很理想。

当今,每天都有数以百计的船舶航行在茫茫的海洋里。不幸的是全世界大型轮船中,每年都有几百艘在海上遇险。其中有半数事故是由于航行原因造成的,使世界商船队里每年都有几十艘船沉没!

最常见的一种事故就是搁浅。它在沉没的船只中,所占比例比较大。例如,从1969年至1973年间,由于搁浅造成了4000艘船的不幸,其中218艘船已完全报废。另一种航海事故是碰撞,特别是海岸附近、窄水道区和港口通道上,更容易发生,当然,这与船只不断增加也有关。例如,通过英吉利海峡的舰船,一昼夜就有400~500艘,由于昼夜或浓雾中航行,船只碰撞的危险时刻存在,难怪海员们说这里是危险的航道。

虽然航海技术和设备在不断完善,但仍不能满足今大的要求。现在航道上出现的差错,不仅给船只和乘员带来巨大的危险,而且常常给周围环境、海洋中的动物世界带来巨大的危害。从超级油轮上流出的石油,有时把沿海几公里的水面都给盖住了,并引起几千种海洋动物和鸟类的死亡……

正因为如此,人们请求卫星来帮忙。1958年初,美国科学家在跟踪第一颗人造地球卫星时,无意中发现收到的无线电信号有多普勒效应,即卫星飞近地面接收机时,收到的无线电信号频率逐渐升高;卫星远离后,频率就变低。这一有趣的发现,揭开了人类利用人造地球卫星进行导航定位的新纪元。卫星定位导航,是由地面物体通过无线电信号沟通自己与卫星之间的距离,再用距离变化率计算出自己在地球或空间的位置,进而确定自己的航向。

这种设在天上的无线电导航台,就是现在的导航卫星,也可以说是当今的“罗盘”。目前已有不少国家利用人造地球卫星导航。这种导航方法的优点主要是:可以为全球船舶、飞机等指明方向,导航范围遍及世界各个角落;可全天候导航,在任何恶劣的气象条件下,昼夜均可利用卫星导航系统为船舶指明航向;导航精度远比磁罗盘高,误差只有几十米;操作自动化程度高,不必使用任何地图即可直接读出经、纬度;导航设备小,很适宜在舰船上安装使用。于是,卫星导航系统应运而生了。
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