永不消失的无线电波探秘：北斗星的指引方向

大海航行靠舵手，舵手把握着航行的方向，但在水连着天，天连着水，一望无际的大海中，海船如何确定方位，并沿着预定航线到达目的地呢？原来勤劳智慧的古代劳动人民，在长期的航海实践里早已找到了一种依靠观测星体来确定自己方位的方法。在我国西汉时代的《淮南子》中曾记载：如在大海中乘船不知东方或西方，那观看北极星便明白了。东晋的高僧法显从印度搭船回国后说，当时在海上见“大海弥漫，无边无际，不知东西，只有观看太阳、月亮和星辰而进。”一直到了北宋以前，航海中还是“夜间看星星，白天看太阳”，这些依靠观测太阳、月亮和星星来确定航船地理位置的方法，通常被称之为天文导航。由于在地球上各个部位都可以观察到太阳、月亮和星星，所以天文导航的最大优点是它具有全球性，不受地球条件的限制。但是，若是遇到阴天下雨或多雾的天气便无法观测了，因此天文导航受气候条件的约束较大。

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。由于无线电波基本上不受天气好坏的影响，它在白天黑夜都可以传播，所以信号的收、发可以是全天候的。最初人们利用多普勒频移原理，通过测量无线电波的频移得到运动参数（地速和偏流角），推算出飞行器位置。这种导航方式，覆盖的工作区域小，电波传播受大气影响而且定位精度不高。

全球定位系统的基本原理是’以3颗卫星为球心、以3个相应卫星到目标的距离为半径’确定的3个球面进行交汇’可以确定相应目标的位置。

由于用户时钟与卫星导航系统的时间不同步’因而接收机至少要测出与4颗卫星的伪距’从而求出并扣除用户时钟的偏差’并同时确定用户的位置。事实上’接收机往往可以锁住4颗以上的卫星’这时’接收机可按卫星的星座分布分成若干组’每组4颗’然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位’从而提高精度。

1957年第一颗人造地球卫星发射成功以后，人们想到是否可以把无线电导航台搬到天上去，让电波从太空中发出。这样，由于电波基本上是垂直穿过大气层到达地面的，所以它传播的距离大大缩短了，从而使电离层和地球表面的干扰显著降低，导航精度相应地得到了提高。这种设在天上的无线电导航台就是现代的导航卫星。它既有天文导航全球可见的优点，又有无线电导航精度高的特性，是目前较为理想的导航方法。

20世纪50年代，美国国防部制订了一个工程计划，其出发点是美国军队必须拥有更好的、世界范围内的定位精度。这个工程的结果就是全球定位系统，从此改变了导航的历史。1994年4月3日，24颗Block-Ⅱ型工作卫星发射完毕，系统投入全面运行。经过30多年的努力，终于建成了20世纪航天史上最有意义的工程之一——全球定位系统（Global Positioning System，GPS）。(www.xing528.com)

31颗GPS卫星在离地面约2万千米的高空环绕地球运行，使得在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速即可得到用户到卫星的距离。但是，由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星间的真实距离，而是伪距（PR）。当用户具有与卫星导航系统时间同步的时钟时，根据这个伪距便可知道它处于以这颗卫星为中心、以伪距为半径的球面上。如果能同时测量出与3颗卫星的伪距，便可根据以这3颗卫星为球心、以3个相应伪距为半径的3个球面的交点，确定自己的位置。

GPS由地面控制部分、空间部分和用户设备部分构成。地面控制部分由主控站、地面天线、监测站和通信辅助系统组成。空间部分由24颗工作卫星和7颗备份卫星组成’分布在6个轨道平面上。用户设备部分主要由GPS接收机和卫星天线组成。

GPS是高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。由于GPS技术具有全天候、高精度和自动测量的特点，所以，诞生后很快就作为先进的测量手段融入经济建设、国防建设和社会发展的各个领域。最近几年，越来越多的普通消费者能买得起的GPS接收机出现了。随着技术的进步，这些设备的功能越来越完善，几乎每月都有新的功能出现，但价格在不断下跌，尺寸也越来越小了。数年前GPS设备还像艺术品一样令人望而却步，而现在消费者终于可以拥有一款梦想已久的GPS接收机了，还带有以前做梦也想不到的很多先进的功能。它们基本上都有12个并行通道和数据功能，有些甚至能与便携计算机相连，可以上传/下载GPS信息，并且使用精确到街道级的地图软件，可以在汽车的显示屏上实时跟踪你的位置或自动导航。

目前GPS已经应用到了社会生活的各个领域，如汽车、飞机、轮船、建筑、移动制导、农业，甚至有赶超计算机的趋势。在美国，单是汽车GPS导航系统，2000年后的市场销售额就已达到30亿美元，我国汽车导航市场销售额已达到50亿元人民币。可见，GPS技术市场的应用前景非常可观。现在GPS已经改变了人们的生活方式，所有运载器都将依赖于GPS，人们日常生活也离不开它。GPS越来越普及，很快将成为人们生活中最基本的、如同电话一样的生活必需品，而且很多手机本身已具备GPS功能了。

有关资料显示，目前我国无线电相关产业所创造的直接经济价值约占GDP总量的3.5%，而其创造的间接经济价值则要远远超过这一数字。由此我们可以看出，无线电技术和应用对于各行业生产的推动作用越来越明显，无线电频谱资源作为一种稀缺的战略资源在整个国民经济和社会发展过程中所发挥的关键支撑与基础平台的作用越来越重要，尤其在信息化带动工业化的时代和实践科学发展观的今天，无线电技术成为21世纪科技变革的重要力量之一，并作为重要的生产力要素直接推动着经济发展和社会进步。