第1章导航从石器时代到卫星时代的发展历程

1.1 从唐诗《下江陵》和《枫桥夜泊》谈起

1.卫星导航系统如此受人们重视，究竟有什么用？

宇宙之大，无奇不有。但从古以来，人们始终离不开两大特征信息，即时间和空间，永远没完没了地问啥时候和什么地方？宇宙在时间上无始无终，在空间上无边无沿。而现代人类信息社会，信息的极大部分仍与时间和空间有关。而卫星导航系统恰恰提供的是位置、速度和时间信息，且精度极高。可见卫星导航系统何等重要。近十多年来，真正在轨正常运行的卫星导航系统是美国的GPS（全球定位系统）。为什么要建全球卫星导航系统？为的是求解自古以来的难题，弄明白目前身在异乡何处？怎样到达目的地？要多长时间和何时到达？做到走遍天下都不怕。因为全球卫星导航系统在任何时候和全球任何地方都用得上。图1.1显示了两种由24颗卫星所组成的GPS星座的典型示意图。

2.美国国防部（DOD）建GPS的初衷是什么？

美国国防部（DOD）建GPS的初衷纯粹是军事需求，是美苏军事对抗的“冷战”需要，目标很清楚。美国军方一直想解决全球性的超高精度定位与导航问题，其他的导航系统均力不从心，于是选用了GPS。历时近20年，耗资120亿美元，终于如愿以偿，建设完成了这一浩大工程，连当时的策划与设计者也完全想不到会有如此多的应用拓展。当初，出于军备竞赛的需要，为洲际弹道导弹系统找到直奔敌方导弹发射井的制导方法，并直接击中和摧毁导弹井及井中的导弹。因为这样做能明显影响到军力平衡。同时有个前提条件，为了精确击中对手目标，还要知道导弹发射的精确位置，这对于苏联并不为难，因为其导弹大多在陆地上发射，而美国的大部分装有核武器的导弹是在海上的潜艇内。为了维持武力平衡，潜艇必须升至海面，在数分钟内精确确定其所在位置，不管它位于全球何处。由于GPS的建成，从此使定位与导航发生了翻天覆地的变化。

GPS是个全球无线电导航系统，由24颗卫星与它们的地面站组成。GPS用户利用人造卫星作为参考点计算自己的位置，精度达到米级。事实上，利用先进的GPS差分测量精度可达到1厘米。从这种意义上说，在地球上给定的任何1平方米的独特地址，利用它都可以找到。更值得指出的是，由于集成电路的发展，接收卫星信号的GPS接收机已经做得非常小，且非常便宜，实际上使GPS技术适用于每个人。现在它已用在汽车、船舶、飞机、建筑设备、农业机械、便携PC或移动电话，甚至航天飞行器上，作为基础技术，它实质上是万能的、泛在的、普适的。

3.为什么从唐诗《下江陵》和《枫桥夜泊》谈起？

一日，稍有闲暇，信手拈来《唐诗三百首》，偶翻到李白的《下江陵》：“朝辞白帝彩云间，千里江陵一日还。两岸猿声啼不住，轻舟已过万重山。”真是千古绝唱，不假思索，一气呵成，好不欢快，好不洒脱，令人似有所悟。再翻过去，映入眼帘的则是张继的《枫桥夜泊》：“月落乌啼霜满天，江枫渔火对愁眠。姑苏城外寒山寺，夜半钟声到客船。”读罢，由不得拍案叫绝，并不是为诗人的一片乡愁，而是为卫星导航专注时间和空间的功能叫好。两首唐诗，一对旅人，一动一静，一欢一愁，情景相依，浑然天成，传递给人们的客观信息，却是时间和空间两大主题，句句相关，丝丝入扣，充分证明时间和空间信息是人类社会离不开的最重要的信息这样一个事实。而卫星导航系统正是能提供精确位置、速度和时间（PVT）、信息和实时动态状况的一个最佳的现代化工具。图1.2是隐喻时空意境的古人诗作的书画图形。

4.什么叫做PNT？

“PNT”是指卫星导航所具备的三大功能，即定位、导航、授时（Positioning、Navigation、Timing），PNT是三种迥然不同的重要功能的组合：

●定位，是指能以一个标准大地系（如世界大地系1984或WGS84）为参照，精密和准确地确定所在位置和方位的能力；

●导航，是指能确定现在的和所希望的目的地（相对或绝对）位置，用于校准要抵达的世界上任何地点的路线、方向和速度的能力，包括从地下到地面，从地面至空间；

● 授时，是指能在全世界任何地方和用户定义的时间参量条件下从一个标准（世界协调时UTC）得到并保持精密和准确时间的能力。定时包括时间传递。

“天基PNT”指的就是卫星导航系统提供的PNT能力，它们来自于GPS、其他GNSS及其增强系统（见图1.3）。

总之，天基PNT可为全世界各地无限多个用户提供位置、导航和授时信息，且允许每个用户工作在同样的参照系和同一个时间基准上。这些信息对安全保障、经济发展和人们的生活质量的提高，具有越来越明显的重要性。因此，人们日益广泛地认识到，天基PNT是全球信息基础设施组成的基本要素。

5.卫星导航系统有哪些值得一提的桂冠？

卫星导航系统在国民经济建设中占有重要的位置，是国民经济信息化建设的重要组成部分和推进力量，是国家信息体系的重要基础建设设施，是直接关系到国家安全和经济发展的关键性技术支撑系统。以GPS为代表的卫星导航（GNSS）应用产业已逐步成为一个全球性的高新技术产业。我国的卫星导航产业正进入产业化高速发展的根本转折时期。

GPS卫星导航系统接收到4颗卫星的信号（见图1.4），便能实现三维高精度定位与授时，为全世界任何地方海陆空天的固定和移动用户提供全天候服务。

6.卫星导航系统（GPS）是人类空间技术的哪三大成就之一？

卫星导航系统是1957年第一颗人造卫星发射成功以后，人类在空间技术发展中最重要的三大成就之一，除它以外，还有阿波罗登月飞行和航天飞机（或者说是国际空间站）。其实，三大成就中，卫星导航系统是最具影响力的。因为它的应用最为广泛，甚至能跟人们的日常生活联系在一起，成为个人消费品（如定位手机和手持导航仪）。

7.卫星导航应用产业是目前发展最快的哪三大信息产业之一？

在目前阶段卫星导航应用产业、移动蜂窝通信和互联网是发展最快的三大信息产业。在中国更是这样，近几年来，我国的卫星导航应用产业产销值都以50%以上的年增长率高速发展。在近五年间，我国的移动电话业以惊人的速度急速扩张，连续3年每年新增电话用户数量超过7000万～8000万户，跃升为全球第一大市场，至2009年年底移动电话用户总数已经超过7.47亿户，年新增用户数量达1.06亿户。同年，我国互联网用户人数新增近7600万户，总数超过3.46亿户。

8.卫星导航是世界上哪八大无线产业之一？

这八大无线产业是：无线本地环路、蜂窝电话、直播卫星（DBS）、全球定位系统（GPS）、个人通信系统（PCS）、将来卫星通信计划、VSATs，以及无线的局域网（WLAN）。八大产业的大部分都属于通信，相互间多少有点类同和交叠，只有GPS与众不同，而且能与其他产业实现良性嫁接，共同发展。

9.为什么说卫星导航系统是现代信息社会的基础设施之一？

卫星导航系统是国民经济和国家信息化建设的基础设施之一，其理由是它能提供高精度（空间）位置、速度和时间（PVT）这七维空间的信息，属于最基础的信息。统计分析结果表明，现代信息社会的大量信息中，有70%左右的信息是直接或间接地与时间和空间有关，这正是卫星导航系统的过人之处，它的应用几乎能遍及国民经济的所有部门的诀窍也在于此。何况它还能提供速度量，与移动目标的定位、导航、授时联系在一起，更是如虎添翼。

10.为什么说卫星导航是国家安全和现代国防的重大技术支撑系统？

卫星导航与国家的高精度空间坐标体系和时间参照体系，以及国民经济的其他许许多多重要的基础设施息息相关，涉及海陆空天各部门各领域，关乎国家安全的各个方面。同时，卫星导航在现代国防中，应用到各兵种军种的各类武器平台，以及军内的各级作战部门，从最高司令部决策参考到基层的个体单兵定位，从精确打击用的各型导弹到战车军车导航，都需要卫星导航的支持。

11.为什么说卫星导航系统是综合国力的体现和国际合作交流的重要领域？

凡是国际上的大国和做强国梦的国家，近年来都在拿卫星导航说事，除了美国的GPS、俄国的GLONASS、欧洲的Galileo和中国的BD（北斗）之外，印度也在大张旗鼓地策划其卫星导航系统GAGAN（GPS增强系统）和IRNSS（印度区域导航卫星系统），而且印度分别与俄罗斯、欧洲和美国开展合作。日本也在紧锣密鼓地营建其准天顶卫星系统（QZSS）与MSAS（运输卫星搭载GPS区域增强有效载荷）增强系统。已经或准备与欧洲开展Galileo合作的国家多于10个，其中有中国、以色列、俄罗斯、韩国、乌克兰等。2006年国际上召开了第一次国际GNSS（全球导航卫星系统）委员会（ICG）会议，并正式纳入联合国的工作范围，至今ICG会议业已开过4次。美俄欧之间也要积极开展双边合作。

12.国际卫星导航产业发展面临哪三大转变趋向？

未来的若干年内，卫星导航应用产业将经历前所未有的三大转变，这就是从单一的GPS系统时代转变为多星座并存兼容的GNSS（全球导航卫星系统）时代，从以卫星导航单打独斗的应用格局转变为与无线通信等系统实现融合的新颖格局，以及从经销应用产品为主逐步转变为运行服务为主的服务产业化新时期，图1.5列出了三种国外卫星导航系统GPS、GLONASS和Galileo所用的卫星。当然，未来的两三年，特别是在中国，仍还是车辆和个人应用主宰着卫星导航应用市场，但是服务市场会迅速成长壮大起来。