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| 本文作者： 毛新愿 | 2015-12-29 12:56 |
【编者按】本文作者毛新愿，荷兰代尔夫特理工大学航天工程专业博士，主攻低轨卫星定轨，北斗/GPS
GPS（Global Positioning System）全球定位系统始于20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。理论上，24颗GPS卫星在离地面2万公里的高空上，以约12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点(98%)都可以同时观测到4颗以上的卫星。
这样根据三维空间定位原理，就足够实现定位（4颗卫星构建四个方程组解决四个未知数：三维坐标和接收机钟差信息）。后来经过扩展，它的卫星数稳定在32颗左右，它们分布在6个平面上，轨道倾角为55度，达到最优设计。由于卫星的寿命长短不一，美国每年都会发射一些卫星更新这个系统。
(来自美国官方)
GPS信号包括两种，一种是普通民用码，所有的接收机都能用；另一种是军码，不用解释了，除了美国和它的盟友，其他人不要想了。这两个精度差多少，百倍左右，你的手机和车载导航软件里，用的就是普通民码，所以你的精度是定到某条街上。
它的应用实在太广泛了，因为它是一种无源定位系统。简而言之的原理就是只要你有一个接收机，能接收到它的信号（低于它的轨道高度，20200千米左右，GPS信号都是指向地球发射的），从理论上讲可以容纳无限个接收机工作，任何一个接收机如果有至少四颗卫星信息就可以定位。
所以它的应用可谓从天到地，大家关心的太空，在低轨空间是完全没有任何问题的！下图是欧空局的GOCE（做地球重力与全球洋流的）卫星用GPS定位示意图：
(来自欧空局官网)
低轨（轨道高度<1000千米）是应用最广泛的太空领域，人类的地球观测卫星（各种资源卫星、科学研究卫星比如重力、磁场、洋流、几乎所有的间谍卫星）都处在这个高度范围内，用这个是妥妥的。
大致的低轨卫星定位原理是什么呢？
(来自本人科研课题)
这是我做报告的PPT截图，大概意思是为了确定低轨卫星的轨道：
你要有一个高大上的星载GPS接收机（没有几个国家搞得到），很多星上辅助仪器数据(星敏感器、加速度计等等)，加上对地球进行各种复杂动力学建模(重力场、海洋潮汐、太阳光压、地球固体潮、地球大气潮、三体引力等等)，加上工程实践的各种算法中补偿措施，再加上工程实践的经验模型，最后可以算出低轨卫星的轨道，然后打个激光检验一下就知道自己算的精度啦。
这是GPS在太空的绝大多数应用，换句话说，GPS的应用在于帮助低轨卫星确定自己的精确位置，但这个精度要求远远高于普通导航仪和手机的精度而已。
目前的科研进展是，给单个卫星定轨道的精度是实时30厘米/事后定位2厘米左右，这是个什么概念呢？低轨卫星的飞行速度在7000m/s以上，地面上的声速的20倍以上，世界最快飞行子弹(狙击步枪)速度的7倍以上，2厘米的精度是不是很震撼？而且是连续定位，每时每刻都能有很精确的轨道，要知道这些低轨卫星离GPS可是2万公里以上的！
远不止如此，对于编队飞行的卫星，可以形成独特的双差基线，GPS辅助编队卫星的定位精度会大大提高，达到0.5毫米级别(用星上单向的高频精度为微米级的雷达检验)，这个世界记录目前就是我们组保持的。这是个什么概念，如果让两只蚊子共同跳一个华尔兹，一只蚊子在荷兰首都阿姆斯特丹，另一只蚊子在法国首都巴黎，这个精度足够帮它们校正同步动作了。下面是欧洲和美国最近几个任务做出的结果(来自我的科研课题)。
(来自本人科研课题)
这些精度能满足什么呢？所有类型低轨卫星的精密轨道确定，轨道转移机动，空间交会对接，人类所有的载人航天任务都可以用到，而且GPS带来的精度提高是质变。
另外，当有了高精度的位置，如果你有多天线，可以构成天线阵精确测出角度。如果你有了高精度速度(可以通过GPS测出)，可以精确推出加速度或滚动加速度，与很多其他仪器形成冗余备份甚至取代。但是很不幸，这些所有的应用必须基于军码，民码根本不可能！
轨道精确的意义自然不用说，所有的对地观测仪器都需要精确知道它们的位置才能反推并应用它们的数据，否则同样一组数据，你弄不清楚测的到底是北京的还是天津的，还有什么意义？GPS的出现，极大提高了人类的低轨卫星定轨精度，直接往厘米级别冲。
科学应用，举一个最简单的例子，GPS定位的重力卫星因为本身轨道精度大大提高，反向把地球重力场模型精度提高了100倍以上。而重力场能干什么，不仅能用于研究南极和格陵兰岛的冰层变化，还能研究各国地下水位变化，以及地球板块运动。
我们组有一篇著名的论文，东日本大地震的时候，GOCE卫星精确测量出了地震波是如何一步一步在高层大气中对外传播的，其中一部分重要数据就来自上面的星载GPS接收机。
军事战略应用，美国这么多间谍卫星，动辄拿出吓死人的地面分辨率，能看清车牌能看清一根香烟。试问一句，离了上面精确的轨道可能做到么？另外，高精度的区域重力场也能给巡航/战略导弹提供人工无法改变的绝对重力信息，干扰这种敏感器，难道你在地上突然造一座山挖个湖改变地貌不成？
军事战术应用，要知道那是给低轨卫星用，就已经达到了厘米级精度，如果给导弹、战车、单兵、飞机全部都装上会有什么特效？
事实上，目前美国基本所有的武器，凡是有导航要求（需要知道自己位置）的，全部都装了GPS。那些夸张精度、战斗力惊人的导弹和炸弹，都有GPS在给出它们位置帮助制导校正，保驾护航。看这个MK-82激光/GPS制导炸弹，GPS天线妥妥的在上面。
(来自美国空军官网)
这是一个很大很大的棋。
想一想，我们有多少民用车载导航、手机个人导航、航海导航乃至无数制导武器，都用了GPS？但细思极恐，有以下几个理由，我们当然需要无条件搞出自己的系统！
1、美帝不会给你接收机的。因为GPS是美国军方搞得也是军方控制的，所有的核心芯片只有美国人能做出来且极其严格保密。
所以民用的，拿出来赚钱，我们可以用木有问题；军用的，包括低轨卫星上用的，再见，呵呵！即便是欧洲，上面提到的欧空局卫星上用的GPS接收机，基本都来自美国航空航天局的喷气推进实验室，绝对垄断。咱们就只能想着了......
2、控制方是大爷。
GPS在建成后放开民用市场时有一个selective availability政策，什么意思呢？他们人工给所有的民用码加了巨大的噪声，导致你定位不准。后来俄罗斯的格洛纳斯竞争日趋猛烈，美国一激动2000年5月2日取消了，变化有多大，如图所示，美国动动手改个指令精度就提高几十倍。然后格洛纳斯就木有希望了。
(来自美国斯坦福大学GPS应用实验室)
看到凌晨6点发生什么了嘛？
同样的道理，对美国而言，我哪天心情不好了，除了美国的军用接收机，能轻轻松松让全世界的所有民用和非正当渠道搞来的所谓“军用接收机”全瞎！所以你如果用了GPS在你们的武器里作为导航（比如像大家的车一样装GPS导航仪），美国大兵表示：呵呵呵呵，有本事过来打我啊！
3、如果只是失效还就算了，还有一个可怕的——释放干扰信号。
反正GPS信号都是美帝的工程师做的，一旦有应用，我释放一个假的信号源，一模一样的信号结构，只是不同的信息内容但强度大很多。那你所有的武器、卫星接收到的都是假的位置信息，发生什么，你自己发的导弹走成什么漂亮的漂移弧线，你能预测么？也许在你面前就是一朵灿烂的烟火了。。。不拐回来找我们就挺好的。
所以全世界在用了GPS这么爽之后，各国政府想一想都被美帝牢牢控制不禁一身冷汗啊，然后都掀起了搞自己导航系统的热潮——
苏联/俄罗斯的格洛纳斯原本能和美国抗衡，后来苏联解体就木有经费了，去年俄罗斯又接二连三的发射失败，这个系统已经残疾了；
欧洲的伽利略，我们都无语了，原来要当北斗的老师，现在毫无进展，都要找中国学习了；
法国做了自己的多普勒系统，但特别有局限性，除了他们自己用几乎没人用了；
日本和印度也在发挥特长，建立地域性的类似GPS系统，但离了美国的GPS也基本瞎。
目前真的只有中国的北斗跟GPS有一拼了，而且多方面的技术上一点都不落后哇。北斗的技术实力杠杠的，咱们国内航天汪们的各种定轨理论水平与应用都是世界级的，北斗绝对是中国航天弯道赶上甚至超车的超级王牌！北斗马上全球成网，作为一个搞这个方面的航天汪你们造我有多高兴么，汪汪汪汪汪！等下回有空可以给大家分析下北斗的牛逼之处。
载人航天、登月非常光鲜亮丽，但北斗真的是利国利民，百年大计啊，造福子孙后代。就这国际形势，跟美帝不出事儿还好，出事儿了北斗绝对是咱们的王牌。
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