无线电导航系统的演进与应用

船舶无线电导航系统由岸基导航台（岸台）和船上无线电导航设备组成。岸基导航台实际上是一个电波发射系统，而船上无线电导航设备则是一个无线电接收机，通过接收到的岸基无线电发射系统发射的电波信号来确定船位。按时空基准点——导航台站的安装点将无线电导航系统分成地基系统和星基系统。

无线电信标系统是一种测角系统。航海系统则由指向标、测向器组成。这类系统大多工作于中波波段，一般用于国内航路和终端，引导航行器向着或背着地面台航行，指示地面目标、航路点的位置。信标系统的导航精度虽然不髙，但设备简单，价格低廉。

我国第一座无线电指向标（站）于1927年在长江口附近花鸟山灯塔建成，设备从英国进口，1930年正式建成投入使用，接收距离为100海里。这是当时世界上较先进的无线电导航设备。1933年大戢山及佘山二灯塔也建立了无线电指向标，以保证长江口的航行安全。1941年12月9日在山东成山头建了一座成山角无线电指向标，但其在战争期间被毁。新中国成立前，沿海共建有指向标站11座，但大多遭战乱破坏。

新中国成立后，海军在沿海组建无线电指向标网，至1967年恢复和新建无线电指向标站和校差台共计2座。1979年进行调整，保留14座指向标站和一座校差台。1982年，更新了控制机，并对发射机进行调整换装，使信号发射更为准确、可靠，覆盖范围基本达到200海里。1983年上述设备移交交通部管理。此外，还先后在沿海建立了环射式指向标站（含一处校正台）。经过调整，1984年共有无线电指向标站15处。

1986年3月，中国无线电指向标对外开放，这是当时中国沿海主要的导航设施，经过交通部进一步建设，1993年中国沿海共建有指向标站22座，形成了由22座无线电指向标站组成的覆盖中国沿海水域的无线电指向标网。20世纪90年代初，交通部安全监督局开始研究利用沿海无线电指向标建立无线电指向标/差分全球定位系统（RBN/DGPS），开始利用原有设施播发GPS差分信号。

20世纪50—60年代，无线电指向标为我国主要的无线电助航系统。随着罗兰A的迅速发展，以及对船舶定位精度和范围要求的不断提高，根据中国沿海RBN/DGPS“九五”发展规划，沿海无线电指向标大部分改造为RBN/DGPS台站，其余的指向标台站于2000年停止使用。

双曲线无线电导航系统的原理是利用无线电波测定测点（如船舶）距两个发射台的距离差，得出双曲位置线，测出2对以上的发射台的距离差，得出2条以上的位置线进行定位。它由发射台（岸台，至少3个）和接收台（船舶或飞机上接收台）组成。形成双曲线的几何原理：到两个固定点距离差为常数的动点的轨迹是以这两个固定点为焦点的双曲线，平面上两条双曲线相交可确定一点。

1965年，我国开始建设“长河一号”，即国际上罗兰A系统。此系统白天导航距离为500～600海里，夜间天波导航距离可达1 000海里，定位精度为0.5～1海里。1975年“长河一号”全部建成，1976年10月正式开放使用，基本上覆盖了全国的广大海域。后来由于技术更先进、性能更优越的RBN/DGPS系统的普及应用，我国的“长河一号”于1998年10月1日起正式关闭。图3-6为“长河一号”曾经使用的无线电收发机。

图3-6　“长河一号”无线电收发机

我国对罗兰C技术的研究工作早在20世纪60年代初就已开始。1979年，国家正式确定建立罗兰C系统，即“长河二号”工程。“长河二号”工程的目的是在我国建立一种能为国家独立控制的远程无线电导航系统，以满足用户的导航定位要求。1987年我国成功研制“长河二号”。“长河二号”系统是根据我国国情自行设计和建设的我国第一个大型远程无线电导航系统，也是由我国政府独立控制和管理的大型无线电导航系统。

卫星导航系统是天文导航和无线电导航结合的一大产物，简单地说，卫星导航就是把地面导航台搬至空中人造地球卫星上的无线电导航系统。20世纪60年代初，旨在服务于美国海军舰只的子午仪卫星导航系统出现了，20世纪70年代则可提供给民用。这是第一代卫星导航系统，该系统利用装在航行体上的接收机接收导航卫星发出的无线电信号，并测量因卫星相对卫星接收机用户不断运动而产生的多普勒频移，由此确定航行体在地球上的位置等导航参数。

我国于20世纪60年代中期开始注意世界上的卫星导航技术，20世纪70年代组建了专门研究室，开始研究卫星导航技术，1974年研制利用美国子午仪导航卫星资源的卫导接收机，于1978年研制出我国第一代船用卫星导航接收机，并于当年携带该接收机参加了中国第三、第四次远洋科学调查。该机出色地完成了导航定位任务，同时为我国发展新一代卫星导航技术打下了技术基础。

20世纪70年代末，我国研制了091甲子午仪卫星导航接收机，该接收机曾几次装舰远渡重洋，执行国家重大科学试验和考察任务。该机于1980年、1982年和1984年三次分别参加重大发射试验，圆满完成任务。

上海天文台于1980年8月18—24日在佘山利用专用接收机接收该子午仪卫星信号，并加以传播延迟等修正后获得了美国海军天文台的基准时间。1982年7—12月，在临潼利用国产JSZ-4型多普勒接收机，通过美国子午仪卫星进行了定时试验。

由于子午仪系统两次定位之间间隔比较长，约为90分钟，且低纬度区域定位时间更长，属于不连续导航；定位精度不是太高，约在200～500米范围之内；再者，子午仪系统只适用于海上或陆地场合的二维定位，对空间飞行器的三维定位无能为力，加之后来先进的全球卫星导航系统GPS的问世，因此，子午仪系统从1990年就开始被淘汰，到1996年底就终止使用。

GPS是由美国军方控制和运营的全球卫星导航系统。由24颗高度约20 000千米的卫星实现全球覆盖。每颗卫星发射两种频率并经伪码扩频的信号。伪码有两种，其中P码为军用码，C/A码则可供民用。用户接收机选择性地跟踪四颗卫星发射的信号，以码分方式区分四颗卫星的信号，从信号中提取星历，测量信号到达时间，经迭代定位计算，就可求得用户自己的位置和精确的时间。从信号中提取多普勒频率就能得到用户的三维速度值，因而系统可同时向用户提供七维导航数据（三维位置，三维速度，时间）。

1995年4月GPS系统达到全运行能力，其民用CA码定位精度为20～30米。GPS投入使用初期，由于美国实施SA等控制，使CA码定位精度一度下降到100米。2000年5月，美国取消了SA，使CA码精度恢复到20米。

北斗卫星导航定位系统（Bei Dou Navigation Satellite System，BDS）是由中国自行研发的三维卫星定位与通信系统（CNSS），是继美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）定位系统之后，世界第三个成熟的卫星导航系统。

1983年，“两弹一星”功勋奖章获得者陈芳允院士和合作者提出利用两颗同步定点卫星进行定位导航的设想，经过分析和初步地试验，证明效果良好，这一系统称为“双星定位系统”。双星定位导航系统为我国“九五”列项，其工程代号为“北斗一号”（一代）。

双星定位导航系统是一种全天候、高精度、区域性的卫星导航定位系统，可实现快速导航定位、双向简短报文通信和定时授时三大功能，其中后两项功能是GPS所不能提供的，且其定位精度在我国地区与GPS定位精度相当。整个系统由两颗地球同步卫星（分别定点于东经80°和东经140°，36 000千米赤道上空）、一个运行控制主地面站和若干个地面用户站组成。主地面站发信号经过两颗同步定点卫星到用户站；用户站接收到主地面站发来的信号后即做出回答，回答信号经过这两颗卫星返回到主地面站。主站—两颗卫星—用户站之间的信号往返可以测定用户站的位置，然后，主地面站把用户站的位置信息经过卫星通知用户站，这就是双星定位导航系统的定位过程。主地面站和用户站之间还可以互通简短的电报。

一代北斗采用的基本技术路线最初来自陈芳允先生的“双星定位”设想，其正式立项是在1994年。北斗卫星导航系统由空间卫星、地面控制中心站和用户终端等3部分构成。空间部分即北斗一号由两颗工作卫星和两颗备份卫星组成，突出特点是构成系统的空间卫星数目少，用户终端设备简单，一切复杂性均集中于地面中心处理站。两颗定位卫星分别发射于2000年10月31日和12月21日，备份卫星于2003年5月25日、2007年2月3日发射。该系统采用主动式导航体制，为我国境内及周边地区的中、低动态用户或静止用户提供定位和授时服务，对我国国民经济建设起着积极的推动作用。至此，我国成为继美国、俄罗斯之后第三个拥有星基导航定位系统的国家。

按照北斗卫星导航系统“三步走”发展战略，我国于1994—2000年完成北斗卫星导航试验系统建设，形成区域有源服务能力；2001—2012年完成北斗卫星导航系统建设，形成区域无源服务能力；2013—2020年实现北斗卫星导航系统全球无源服务能力。到2020年7月，由35颗导航卫星组成的北斗卫星导航系统，已完成覆盖全球的高精度、高可靠的定位、导航和授时服务。

北斗卫星导航系统的建设目标：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的、覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用，服务于国家建设与发展，满足全球应用需求。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生了显著的经济效益和社会效益，特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。

(1)　出自《诗经·小雅·沔水》。

(2)　出自《尚书·禹贡》。

(3)　出自《梁书·中天竺传》。(www.xing528.com)

(4)　出自沈莹的《临海水土志》，收于《台州札记》，卷一，清抄本。

(5)　出自《吴时外国传》，收于虞世南：《北堂书钞》，卷一三八舟部下，清光绪十四年万卷堂刻本。

(6)　出自《扶南异物志》，收于李昉等：《太平御览》卷六十九地部三十四，四部丛刊三编景宋本。

(7)　刘徽，约225—295年，汉族，山东滨州邹平市人，魏晋期间伟大的数学家，中国古典数学理论的奠基人之一。在中国数学史上做出了极大的贡献，他的杰作《九章算术注》和《海岛算经》是中国最宝贵的数学遗产。

(8)　裴秀，224—271年，字季彦，西晋初著名的地理学家，河东郡闻喜县（今山西省闻喜县）人。作《禹贡地域图》，开创了中国古代地图绘制学。李约瑟称他为“中国科学制图学之父”，与古希腊著名地图学家托勒密齐名，是世界古代地图学史上东西辉映的两颗灿烂明星。为纪念这位中国地图科学创始人而设立的“裴秀奖”每两年评选一次，是中国地图学界最高奖项。

(9)　出自《晋书·裴秀传》。

(10)　茅元仪，1594—1640年，字止生，号石民，又署东海波臣、梦阁主人、半石址山公，归安（今浙江吴兴）人，文学家茅坤之孙，汇集兵家、术数之书2 000余种，历时15年辑成《武备志》，对后世影响较为深远。

(11)　《夏小正》，中国现存最早的一部记录农事的历书，保存了古代中国的天文历法知识，收录于西汉戴德汇编《大戴礼记》第47篇，在《隋书·经籍志》首次出现《夏小正》单行本，撰者不详，一般认为成书时间为战国时期、两汉之间。

(12)　《石氏星表》，根据《石氏星经》改编而成，作者是战国时期魏世申，是世界上最古老的星表之一。

(13)　《汉书》又称《前汉书》，是中国第一部纪传体断代史，“二十四史”之一，由东汉时期史学家班固编撰，是继《史记》之后中国古代又一部重要史书，与《史记》《后汉书》《三国志》并称为“前四史”。

(14)　《淮南子》又名《淮南鸿烈》《刘安子》，是西汉皇族淮南王刘安及其门客收集史料集体编写而成的一部哲学著作。

(15)　周舍，469—524年，字升逸，汝南郡安城（今河南汝南县）人，南朝梁大臣，东晋左光禄大夫周顗八世孙。

(16)　《春秋运斗枢》，汉朝汇录，作者不详，属于谶（chèn）纬类典籍，《春秋纬》十四种之一，亦名《春秋纬运斗枢》，宋均注，宋以后散佚。

(17)　《甘石星经》，古代中国天文学专著和观测记录，是世界上现存最早的天文著作之一。战国时期齐国人甘德和魏国人石申各写出一部天文学著作，后人把这两部著作合起来，称为《甘石星经》。

(18)　《鹖冠子》，据传是战国时期一个楚国隐士所作，因作者平常总戴着羽毛装饰帽子，大家就给他取了一个别号叫鹖冠子。原著为一篇不分篇，后世因内容而分篇，最终定为十九篇。

(19)　《新唐书》，北宋时期宋祁、欧阳修、范镇、吕夏卿等合撰的一部记载唐朝历史的纪传体史书，“二十四史”之一，全书共有225卷，包括本纪10卷，志50卷，表15卷，列传150卷，于宋仁宗嘉祐五年（1060年）完成。

(20)　僧一行，673—727年，俗名张遂，法号敬贤，谥号“大慧禅师”，魏州昌乐（今魏县边马村）人，唐朝著名的天文学家和佛学家，世界上第一个研究恒星运动的天文学家，比英国天文学家哈雷发现恒星运动早一千多年。

(21)　梁令瓒，生卒年不详，唐朝画家、天文仪器制造家，汉族，蜀（今四川）人，存世作品有《五星及二十八宿神形图》一卷。

(22)　沈佺期，约656—715年，字云卿，相州内黄（今安阳市内黄县）人，祖籍吴兴（今浙江湖州），唐朝诗人、儒客名家，与宋之问齐名，称“沈宋”。

(23)　著者为巫咸，年代不详（可能生活在商代），古代占星家，《巫咸占》收录在瞿昙悉达所编的《开元占经》中。

(24)　李诩，1506—1593年，字原德，号戒庵，江阴人，晚年以“戒庵老人”自居。

(25)　《戒庵老人漫笔》，明朝李诩撰笔记，是一部具有较高价值的明朝笔记，也是较早提出龙生九子概念的书籍之一。

(26)　《乙巳占》，唐朝天文学家、数学家、易学家李淳风（602—670年）传世的占星学代表作，撰成于唐显庆元年（656年）稍后。

(27)　《开元占经》，全名《大唐开元占经》，成书约在718—726年之间，是中国古代天文学著作之一。全书共120卷，保存了唐朝以前大量的天文、历法资料和纬书。作者瞿昙悉达是唐朝印度裔占星术者。