03.01 卫星导航系统的出现背景是什么,工作原理是什么?

专守防卫大野驴


有史以来如何确定自己在地球上的位置一直就是人类面临的一大问题。对军队来讲,这个问题就尤为重要。士兵、飞机、车辆和舰艇要知道自己在什么位置才能确定下一步向什么方向前进,导弹和火炮要知道自己的位置才能计算出射击参数。弹道导弹在发射前所做的最重要准备工作就是确定自身的精确地理位置,这样才能知道相对于目标的水平和垂直距离,从而计算出飞行弹道。因此,人类曾发明了无数方法来粗略或精确测定目身的方位。
人类进入航天时代以来,科学家开始研究用卫星来进行导航。最早的导航卫星是美国的“子午仪”,它利用多普勒效应进行工作,精度和实时性都不太好,最大的弱点是仪器太庞大,有几百千克重,用在飞机和车辆都不合适,只能用于比较大的船只。经过多年研究,美国和苏联先后研制出了新的全球导航卫星星座GPS和Glonass。
导航卫星原理并不复杂,但在工程上的实现相当困难。导航卫星在太空中沿着确定的轨道飞行。这样,对地面上的人来说,在任何时刻任何一颗导航卫星的位置都是已知的。导航卫星上装备了多台高精度原子钟,不断地把原子钟产生的时钟信号调制到电磁波上,并向地面发射。地面上的人用接收机接收到信号后,就可以知道卫星是在什么时刻发射这个信号的,进而可以计算出当时卫星的位置。由于电磁波在空间的传播需要时间,因此接收机收到信号的时刻与卫星发射信号的时刻之间存在一个延退,把这个延迟的数值乘上电磁波的传播速度,就可以得到这颗卫星与接收机的几何距离。如果接收机同时得到了自己与三颗卫星的距离,就可以计算出自己在地球表面上的位置(经度和纬度)。如果得到自己与四颗卫星的距离,不但可以计算出经纬度,还能计算出高度。
更多内容详见《兵器》杂志2002年第12期。


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