中國北斗導航衛星簡況
2013-08-28 10:04:23 來源: 測繪論壇
4月10日凌晨4點，我國在西昌中心成功發射第八顆北斗導航衛星，自2007年4月14日第一顆實用導航衛星升空我國自主研發的全球衛星定位導航系統穩步發展，該系統將徹底擺脫美國GPS衛星導航系統的束縛，為我國人民生活、社會主義建設提供有力服務，最重要的是我軍將步入完全信息化指揮的最高境界，為各種遠程精確打擊力量插上堅實的翅膀，令中國所有潛在敵人在未來的對抗中不得不三思而行。
目前世界上衛星導航系統只有美國GPS“全球定位系統”投入使用。GPS于1993年投入試驗使用（1973年發射第一顆）。正在組網建設的有：我國的“北斗衛星導航系統”、俄羅斯的“格洛納斯衛星導航系統”和歐洲的“伽利略衛星導航系統”。
人類從文明起源開始就不斷遷徙遠行，每當出發在即往往意識到如何才能“確定方位”。進入近現代隨著交通工具的誕生出行的距離越來越遠，人們發明了指南針、羅經羅盤、子午儀等利用天象星座和地球引力完成在茫茫的大海中的航行，這就是最初的導航。
什么叫導航：導航就是利用機載和地面相關設備，引導航空器沿著預定航線飛抵預定目標，并能隨時給出航空器準確即時位置的過程。無論民用或軍用飛行，精確無誤的航行是保證安全和完成任務的基礎。
那么飛機（航空器）是如何導航的呢？
按導航方式劃分：自主式導航和引導式導航。（1）自主式導航包括：目視領航、陀螺儀表領航、慣性基準導航、多普勒雷達導航等；（2）引導式導航包括：無線電點信標導航（NDB/VOR等）、無線電組合導航（羅蘭、塔康、歐米茄等）和衛星無線電定位導航。
按導航技術發展階段劃分：（1）目視飛行領航；（2）羅盤（定點推算）領航；（3）無線電（導航臺）導航；（4）慣性（基準）導航；（5）多普勒（雷達）導航；（6）雙曲線無線電（組合）導航；（7）衛星（時基定位）導航；（8）組合式導航；（9）中國北斗衛星導航。
為了好理解，我們且按“導航技術發展階段”來逐步了解空中導航的演變。
（一）目視領航方式
飛機于1903年誕生，最初飛機上并沒有儀表完全憑感覺駕駛。后來逐漸出現了高度表、速度表和簡易發動機儀表。由于飛行高度低距離近，都是靠目視引領飛機前進。目視搜索的地標主要有鐵路、公路、村落城鎮、電線桿和河流等。駕駛員先要研究地圖，沿著熟悉的地標一邊飛一邊看。
1911年9月9日英國飛行員哈梅爾駕駛“布雷里奧-6”型單人單翼飛機從倫敦北部盧頓到北安普頓，開始英國第一次官方空中郵件運輸飛行，他沿著道路和河流前進，中間迷失方向還降落到村莊田地打聽道路最終完成任務，盡管如此還是比郵政馬車快了半天。“目視領航”的缺點：不準確、盲目性大、受天氣影響大、疲勞不適合遠距離航行。
（二）定點推算式領航方式
定點推算式領航開創了“地圖+羅盤+計時鐘”的技術領航時代。自從人們把航海用的大羅盤改造縮小固定到飛機駕駛儀表板上方，就有了指明航向的設備，可以完成點對點直線飛航任務。最初1912年使用的是“水羅盤”，一個浮動的航向刻度盤利用浮子原理懸浮在玻璃水容器中，像指南針一樣，任你飛機轉向都會有不同刻度指示方位角，駕駛員保持這個刻度不變，就會沿直線向前飛，結合地圖作業測量出兩點之間的直線（航線）的方位角大小，就是你的“航向角”，再根據飛行速度和距離推算出飛行時間，結合地標地貌，一個標準齊全的“領航要素”具備了。
它們是：飛行高度、速度、時間、航線、航向；領航儀表有：羅盤、時鐘、地圖；飛行儀表有：空速表、高度表、發動機儀表等。1920年以后隨著陀螺技術發展，電動羅盤航向儀（電動陀螺磁羅盤）代替水羅盤，航向指示更穩定，一直到現在許多飛機還保留電動磁羅盤為備份領航儀表。“定點推算式領航”是飛行員領航駕駛技術的基本功，它的主要缺點：遠距離飛行航跡角（有風情況下的偏流角）誤差大，飛行員高度緊張易疲勞，不適合較復雜天氣飛行。
（三）無線電導航方式
為了克服磁羅盤領航準確性差問題，人們根據廣播電臺的原理，研制出無線電引導設備。最早在1917年一次大戰期間飛機上安裝了收音機式的中波電臺接受器和監聽式測向器，駕駛員在航線上不斷收聽城市公開廣播，根據“測向器”大致指明的方向保持航行，形成了“無線電導航”的雛形。
由于廣播電臺安全保密性問題，1932年研制成功中波NDB歸航導航臺，并在飛機上裝配專門的接收設備（無線電定向機ADF）和指示器，“無線電羅盤”誕生了。到1946年二次大戰結束，發明了“甚高頻全向信標臺VOR”，NDB和VOR都采用振幅式測向工作模式發射電波來定向，不同的是，NDB采用高頻單信號電波，只起到近距離（50-100公里范圍）導航定向作用（亦稱“歸航臺”）；而VOR甚高頻信標采用兩個低頻調制信號（基準相位信號和可變相位信號），即能定向還能為地面和飛機同時提供針對對方的方位信息，更適合較復雜天氣下導航使用，導航范圍提高到100-400公里（根據飛機高度不同）。
到目前為止，VOR還廣泛應用在航路點、轉彎點、空中走廊等信標指示點上，NDB仍有少量起輔助導航作用。與此同時還誕生了“無線電測距機DME（脈沖測距）”，測距距離為300-500公里。DME一般和VOR配置在一塊，共同起到定位測距作用。主要缺點：易受干擾，作用范圍近，不適合遠距離導航，俗稱“回家導航臺”。
（四）慣性導航系統（INS）
由于飛機航程越來越遠，得不到地面導航臺的有效保障，飛機自主導航系統應運而生，它就是“慣性導航系統 INS”。基本原理是根據飛機所在空間位置，由慣性陀螺組件和加速度計測量出運動中的飛機相對于慣性空間的“角速度、角位移、角加速度”等數據，推算出飛機的位置，經過連續不斷的推算，構成了保持正確航行諸元的導航方式。它不發射電波不與外界聯系不受干擾，是完全自主的穩定導航系統。已經在飛機、導彈、艦船、潛艇等方面得到廣泛應用。
慣導原理無疑是牛頓慣性原理最重要的應用，1851年法國人傅科第一次提出慣性運動的穩定性問題；1904年德國人安茨研制出世界第一個電動、三自由度、單軸陀螺儀，由于轉速太低并不成功；1907年安茨研制出利用浮子原理和萬向支架支撐的陀螺儀轉速達到2100rnd/s，即世界第一個“指北陀螺儀：羅經”，并成功運用到德國“德意志號”戰略艦上；1949年6月美國空軍首次在B-29轟炸機安裝首臺慣性導航儀并持續試飛 10小時取得成功。為了增加精確度，組合三個軸向陀螺成為捷聯式慣導平臺。
同時為了減低摩擦阻力、減少誤差，慣導系統歷經不斷改進更新，先后從支架式結構發展出各類新型陀螺儀如：“繞行陀螺”（1967年美國軍用）、“靜電陀螺”（1957年美國軍用）、“激光陀螺”（1975年美國軍用）和“光纖陀螺”（1995年美軍試驗）等。據了解，我國精密儀器設備科研院所從上世紀90年代也開始了自主“光纖陀螺”慣性導航系統的研制，已經取得喜人成果并成功運用新型戰機和遠程精確打擊武器引導頭上。
當然慣性導航也存在固有的缺點，隨著飛行時間的增加累積偏差也增大。例如中等精確度的慣導：距離每增加100公里誤差增加0.2公里（1000公里為2-3公里；5000公里則為10-20公里），這對民航客機不算什么，對轟炸機、巡航導彈則誤差太大了。
�。ㄎ澹┒嗥绽绽走_導航
慣導的誤差主要來自大氣流動（風速）的影響，當空中風向與航向存在夾角，飛機軌跡運動速度方向受側風風速影響，會偏離預計軌跡一個角度，叫“偏流角”，根據三角函數定理計算，飛機真實地速大小會受影響，同時偏離航跡造成偏航誤差，慣導很難察覺到細小的變化。
多普勒雷達是根據“多普勒效應原理”設計的雷達系統，它通過向地面發射電波，并根據回波及時發現飛機受風影響產生的微小附加移動變化，經過幾個來回即可測出當前空中風的“風向、風速”數據，并通過計算機和自動駕駛儀自動發出修正偏流角的指令，使飛機始終保持預定航向前進。
所以多普勒雷達導航系統是主動修正錯誤的導航系統，一般大型客機、戰略轟炸機要發射5-6個不同方向的電波束，來捕捉前后左右來向的風對飛行地速、偏流角影響。但是由于多普勒雷達體積較大設備復雜，戰斗機和巡航導彈較難裝備（當然他們的航程短暫時不需要，除非小型化成功）。
�。┞摵鲜綗o線電導航
這里所謂“聯合式”是指非“點對點”導航，而是通過多個無線電發射臺組成專門的導航網，利用雙曲線函數交匯原理完成導航的系統。像“羅蘭-A”導航系統（美國1942年）；“奇”導航系統（英國1942年）；“羅蘭-C”遠距導航系統（美國1955年，有效距離可達2000公里范圍）；
“歐米茄”全球導航系統（美國1966年建成，利用八個大功率導航臺交叉組成電波網絡，可對高空美軍機進行全球指揮引導）；還有一種“塔康空中戰術”近距導航系統TACAN（美國、北約1968年組建，由于采用了多波瓣脈沖測向技術和機載敵我識別系統結合，測向及識別精度很高，多為北約前線空戰導航引導服務。后來美國也把TACAN與VOR結合使用叫“伏爾塔克VORTAC”提供給軍民航使用）。
（七）全球定位衛星導航系統
世界上最早使用衛星導航的是美國，他的第一代系統叫“子午儀”導航衛星系統。從1960年到1964年共發射30多顆子午儀衛星。而“全球定位衛星導航系統”GPS屬于新一代無線電衛星導航系統。它具有全天候、全球覆蓋、精度高和用戶容量無限等特點。美國 FAA（聯邦航空署）決定用GPS逐步取代民用VOR/DME近程導航系統；美國防部逐步淘汰“羅蘭C”、澳米伽和戰術塔康等系統。
GPS于1973年開始研制，1978年至1993年全部部署24顆衛星并投入使用，先軍方后民用發揮了巨大作用。GPS有5個地面控制站：主控站（美國本土）、監控站（大西洋、太平洋、印度洋美軍基地上）。
�。ò耍┙M合導航系統
由以上兩種或多種導航系統組合起來完成導航任務�，F代飛機往往不再使用單一系統導航，像遠程客機、運輸機、轟炸機等大型飛機幾乎使用全部導航手段。作戰飛機或導彈則根據需要安裝特定的導航系統。比較典型的組合有：多普勒—慣性組合系統（1965年研制 1970年使用、每小時圓概率誤差930米）；多普勒—慣導—羅蘭C組合系統（1968年使用，由于加入羅蘭系統小時累積誤差減少到3米）；慣導—衛星組合系統（1990年開始軍民用航空廣泛使用）。
�。ň牛┪覈�“北斗衛星”導航系統將達到導航最高境界
（1）既然有GPS為何還要“北斗”？GPS已成為全球導航服務體系，上至空天下到行車走路無所不用早就進入平常百姓家。其實GPS的真正價值在軍方使用，飛機大炮坦克軍艦潛艇導彈通訊偵察，全都是用GPS定位，打起仗來可以作到指哪打哪。我們能依靠人家的系統為人民解放軍服務嗎？有大腦的人都懂得這個道理，不行。打仗時人家一關你就白瞎了。
�。�2）和平時期我軍能使用GPS訓練嗎？答案也是“不能”。從原理上講用戶使用GPS并沒有障礙，但美國防部在GPS進入民用領域之初，就制定了特殊“游戲規則”。他把軍用和民用信道分開的，美軍北約使用“F”碼；民用為“K”碼（對不起：F、K編號是本人任意加的并非實際應用，僅為避免麻煩而已）。其中“K”碼為模糊數據語言，其“人為誤差”是“F”碼的數倍，如果“F”精確度為100%，則“K”碼僅為80%，作為民用導航足夠了，相差幾十米幾百米對民用飛機輪船不算什么誤差。而軍用導航則謬之千里，如果我軍設備都按GPS設計導航基準，不但平時訓練打不準，要不斷修誤差；到戰時即使GPS不關停你也打到準，談什么“精確打擊”。
�。�3）衛星導航是個巨大的市場。目前美國GPS獨霸全球份額，這種獨家壟斷無形中提高了美國競爭地位，像世界民航組織、世界海運組織、世界通信組織都以GPS為視聽。如果“北斗”組網成功，就像3G通信一樣帶來我們自己的發言權，爭取中國、亞太乃至全球衛星導航市場份額。
�。�4）我國“北斗”衛星的特點。
根據航天權威人士透露，我國衛星導航布網建設分三步走。第一階段試驗階段，2003年以前發射3顆衛星，主要以驗證北斗系統的原理及可行性為目標。該階段已經圓滿完成；第二階段：2004年到2012年間形成區域定位能力，將發射14顆北斗衛星，形成為中國和亞太周邊國家提供導航能力。該階段已發射8顆北斗衛星，已經初步覆蓋我國部分地區并為特定用戶提供試驗服務；第三階段：2013年到2020年期間衛星發射總數將達到35顆左右，覆蓋全球的北斗衛星導航系統將全面建成。
第一階段試驗階段，共發射3顆衛星，即“二加一”（2顆同步軌道靜止衛星和1顆帶傾角度的衛星）組成一個試驗小網。和GPS最大不同的是我們使用同步衛星導航，大大加強局部地區在軌導航能力，既經濟又快速準確。經用戶使用驗證達到研制要求取得完全成功。當 2020年最后北斗完成組網，將使用5顆正式同步靜止軌道衛星、30顆正式非同步軌道衛星。
第二階段發射全記錄：第一顆（2007年4月14日）；第二顆（2009年4月15日）；第一三顆（2010年1月17日）；第四顆（2010年6月2日）；第五顆（2010年8月1日）；第六顆（2010年11月1日）；第七顆（2010年12月 18日）；第八顆（2011年4月10日）。
（5）北斗衛星導航系統的重要意義。
只有自己的衛星導航系統建成，才能真正做到遠程精確打擊�？扑魑謶馉幤陂g一顆精確制導炸彈準確擊中中國大使館主樓，讓國人記憶猶新，此恥辱被我國航空航天科技戰線人員永記心間。沒有自主的衛星導航，只靠雷達制導、慣導和末端電視制導攻擊敵人準確率并不高，像四代戰機隱蔽出擊、東風-21攻擊航母、超音速對艦導彈和視界外滑翔攻擊炸彈，都要靠衛星末端制導才能發揮最大效益。
衛星導航的隱蔽指揮優勢。傳統的指揮靠無線電聯絡極易暴露位置。美國通過GPS自動指揮系統，無需潛艇航母發出任何信號，只要接受就OK，就是監聽到密令只見衛星不知在指揮誰，其隱蔽巡邏全球能力大大加強。有了北斗我國核潛艇將能真正達到遠航四大洋夢想。
北斗系統建成意味著我國“空天系統”將發揮巨大威力。所謂“空天系統”是指五大衛星系統聯網構成的新系統。它們是：導航定位衛星系統；通信聯絡衛星系統；偵察/“間諜”衛星系統；遙感測繪衛星系統；氣象衛星系統；再加上我國頂尖的超級計算機，可以想見未來信息化戰爭條件下，敵方所有部署都暴露在我方屏幕前（就像現在美國一樣）。一個強大中國誰還敢和你開仗？和平就需要實力強大更強大，就像毛主席老人家所說“只有擁有原子彈才能反對原子彈”。
聲明①：文章部分內容來源互聯網，如有侵權請聯系刪除，郵箱 cehui8@qq.com
聲明②：中測網登載此文出于傳遞更多信息之目的，并不意味著贊同其觀點或證實其描述，文章內容僅供參考。
加群提示：我們創建了全國32個省份的地方測繪群，旨在打造本地測繪同行交流圈，有需要請聯系管理員測小量（微信 cexiaoliang）進群，一人最多只能進入一個省份群，中介人員勿擾