1960年4月13日，美國發(fā)射成功世界上第一顆導(dǎo)航衛(wèi)星——子午儀IB號。那么，為什么導(dǎo)航衛(wèi)星能夠指路呢？
我們的日常生活離不開導(dǎo)航，一出門，眼睛就在為我們導(dǎo)航，它和腦海里記憶的地圖一起匹配來指路。出遠(yuǎn)門怎么辦呢？古人最初依靠太陽、北極星等天體來辨別方向，后來依靠指南針和羅盤。進(jìn)入20世紀(jì)后，無線電信標(biāo)的問世，開創(chuàng)了海洋船舶和航空器導(dǎo)航的新篇章。
1957年10月4日，蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星。此后，美國科學(xué)家在跟蹤它的過程中，觀察到了多普勒效應(yīng)：衛(wèi)星飛向地面接收機(jī)時，收到的信號頻率升高；而飛離時，頻率就降低。一高一低之差就是頻率的偏移，簡稱頻移。他們認(rèn)識到，衛(wèi)星的運行軌跡可以由衛(wèi)星通過時所測得的多普勒頻移來確定。知道了衛(wèi)星的軌跡，就能夠反推出接收機(jī)所在的位置。正是由于這一有趣而科學(xué)的發(fā)現(xiàn)，揭開了人類利用人造衛(wèi)星進(jìn)行高精度、全天候?qū)Ш蕉ㄎ坏男录o(jì)元。
現(xiàn)在大家提起導(dǎo)航，腦海中就會浮現(xiàn)“GPS”這三個字母。其實GPS（Global Positioning System的縮寫）是由美國軍方建造的全球定位系統(tǒng)，由于先入為主的關(guān)系，人們常把它當(dāng)作衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的代名詞。那什么是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)呢？
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由三部分組成，分別是導(dǎo)航衛(wèi)星、地面臺站和用戶定位設(shè)備。我們以GPS為例，來說明衛(wèi)星定位的基本原理。
GPS由32顆中高軌道衛(wèi)星組成，它們均勻地分布在距離地面約20?200千米的6個傾斜軌道上，以12小時的周期環(huán)繞地球運行。這些衛(wèi)星與地面臺站組成網(wǎng)絡(luò)，每隔1～3秒向全球用戶播報信息，使地球上任何地方的用戶在任何時候均可以利用接收機(jī)同時接收到至少4顆衛(wèi)星的信號。
為何要接收4顆衛(wèi)星的信號？按照初等幾何學(xué)原理：若一個點與另一個（固定的）已知點P的距離是一個常值R時，則這個點一定位于以點P為球心，R為半徑的球面上。由于衛(wèi)星的位置精確可知，可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，利用三維坐標(biāo)中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個方程式，求解觀測點的位置（經(jīng)度、緯度和高度分別以X、Y、Z來表示）?？紤]到衛(wèi)星的時鐘與接收機(jī)時鐘之間的誤差，實際上有4個未知數(shù)，X、Y、Z和時鐘偏差，因而需要引入第4顆衛(wèi)星，建立4個方程式進(jìn)行求解。接收機(jī)往往可以鎖住4顆以上的衛(wèi)星，這時，接收機(jī)可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。GPS最新的實際定位精度已經(jīng)達(dá)到5米以內(nèi)。
