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神奇的卫星定位
发布日期:2013-10-24     作者:皮可慰  【网友评论:0 条】

 

卫星定位一步一步地走进了人们工作和生活领域,最常见的是GPS卫星定位,人们通过一台手机就可以轻易地找到酒店、商场,可以知道在十字路口往什么方向行进,甚至可以知道什么地方有道路测速装置,真是够神奇的了。什么是定位,为什么要使用卫星定位,卫星定位为什么能够这么神通广大呢?

一、什么是定位? 

1. 定位是通过测量获取“在哪儿”的信息.

定位是一种测量,通过测量获取“在哪儿”的信息。这座山在哪儿,你在哪儿,我在哪儿,在哪儿的信息必须通过测量才能获得。你可能会说这座山在哪儿,查一查地图就可以知道,然而地图本身就是测量的结果。 

2. 定位需要参照物.

定位是测量的结果,而测量是需要参照物的。参照物是一个相对稳定的物体,而且是已知它在哪儿的,它在地球上的高度是多少,经度是多少,纬度是多少,也就是说作为参照物的首要条件是明确它在地球上的什么位置,才能以它来确定测量目标在什么位置。例如人们确定了天安门的位置,希望对其他物体定位时,只要测量它与天安门的距离、方向就可以了。

人类经过几千年的努力,已经测量并确认了地球上相当多固定物体的位置,这为进一步的测量定位创造了条件。

参照物可以不在地球上,但一定要与地球有关。例如人类很早就利用天上的星星作为参照物,确定自己的方位,其实这是人类已经认识到这些天上的星星相对于地球是什么位置,如北斗星在地球的正北方,相对于地球的观察者来说运动视角很小,才能成为参照物。

3. 定位需要选择测量方法.

通过对参照物的测量实现对目标物的定位,首先要确定一个测量方法,包括如何测量以及如何将测量的数据利用一定的数学公式计算目标物位置两个方面。

例如已知一个钟楼的位置,要确定某目标物的位置,必须测量目标物与钟楼的距离,同时还必须测量目标物与钟楼的方向,通过计算就能确定目标位置。

但是如果我们不仅仅知道钟楼的位置,还知道另一座塔的位置,以及钟楼与塔的距离,这时我们只要分别测量目标物与钟楼、目标物与塔的距离,无须测量方向,也可以计算出目标物的位置。

某些巡航导弹对自身的定位,是利用事先绘制好并存储在计算机中的地貌作为参照物,实时地对地面状态进行测量和比对,确定自己的位置和行进方向。

对同一目标进行定位应当根据不同的状态选择不同的测量方法,例如飞机在高空飞行时可以采用GPS卫星定位来实现导航,但是当飞机对准机场跑道降落时,就要采用以机场导航塔为参照物的无线电波定位方式,因为这时定位的精确度要求更高,定位的计算要求更快。

无论采用什么测量方法,定位的测量最终都是希望知道目标与参照物的距离和方向。人类最早的测量是利用眼睛目测,不但目测距离还要目测方向,在要求精度不太高的情况下,目测可以解决很多定位问题。经过训练的人目测的水平更高,例如打飞碟的射击运动员对运动中的飞碟定位是非常准确的。然而仅凭目测是远远不够的,需要使用测量工具。人们最早使用的测量工具是尺子和指南针,随着科学技术的进步,声波、光波都成为了测量工具。

由于方向可以通过对若干个已知方位参照物的距离测定经过计算或者作图得到,卫星通讯中使用了多个卫星作为参照物,因此在卫星定位中主要是测量目标与卫星的距离。然而卫星在几百千米的高空,别说测量目标与它的距离,就是看见它都不容易,如何测量呢?

二、卫星作为参照物能够自己说话. 

一般地面上的参照物或者天上的星星最多只能做到发出光芒让测量者直接看到,光芒的信息是简单的,即使你看到了它,有时还不知道是不是它,这就给测量带来了很大困难。有什么办法呢?你可能会说,那就设法让卫星自己发出可由仪器接收的无线电波吧。很对,但是又如何从接收到的无线电波得到目标与卫星的距离呢?

科学家想到了一个好办法:让卫星自己说话。人造卫星不间断地向地面发出无线电波,这些无线电波含有丰富的信息。这些信息可以是:

A、我是谁。即是哪一颗卫星发出的信息。

B、我在哪里。即这颗卫星的坐标是什么。由于卫星在天上运动,坐标值总会发生一些变动,即使是很小的变动都会影响测量定位的精度,因此它可以实时地告诉测量者:我发生了什么变动,你快调整吧。

C、这束信号是什么时候发出的。这个时刻数值很重要,测量者接收到这束信号,根据接收到的时刻(必须完全符合标准时),依据光速立即可以计算出测量者与这颗卫星的距离。

由于卫星能自己说话,测量工作变得非常简单,完全用不着如同道路上的测速仪需要向被测目标发射红外线激光,再接收返回的信号,而是只要接收到卫星的信号就可以了。因此除了少数执行特殊任务的地面工作站需要配置体积甚大的发射设备,绝大部分应用只需要如同手机一样的接收器就可以了,手机当然不可能向几百千米之外的卫星发射信号,但是不要紧,只要它能接收卫星信号就行了,而这点要求卫星是可以做到的,因为它的发射功率可以做得足够大。 

三、卫星定位系统复盖面广.

用于执行系统定位任务的卫星不是一两颗,而是由几十颗组成一个卫星群,这些卫星的运动与地球同步,实际上是一个一个固定在地面不同位置垂直上空一定高度的人造星星。几百千米高度的卫星群,它们的“视线”可以复盖地球表面的所有角落,或者说,在地球上的任何地方都可以“看到”至少三颗以上卫星。

由于卫星是靠无线电波传输信号,不要求如同光波一样直射到测量仪器上,因此测量仪器放在汽车上,放在房间里照样可以完成定位工作任务。

 四、卫星定位系统可以与通讯网络实现实时链接.

卫星定位系统无论是天上的卫星,还是地面上无数个接收装置,都可以做到与通讯网络实现实时链接,也就是说,卫星定位系统可以随时随地通过通讯网络获得与定位有关的各种信息资料。

我们通过卫星定位知道了我们在哪里,这当然很有价值,尤其是在沙漠或者大海中。然而通过通讯网络获得与定位有关的各种信息资料,将使得卫星定位系统的功能几乎获得无限的扩展。通过通讯网络我们可以随时知道周边的道路状况,详细了解附近各种服务场所的位置,微信服务利用卫星定位功能让你知道了周围的朋友,卫星定位使得土地、房屋、地下管线的测绘工作效率更高。

通过通讯网络还可以将卫星定位的信息传送给信息使用部门,也就是说,不仅仅测量者自己知道“我在哪里”,还可以让别人知道“你在哪里”。现在很多城市的公共交通工具上装上了卫星定位设备,并通过移动通讯网络及时地将信息传输到调度中心,实行高效率的调控。

通讯网络的技术进步使得卫星定位如虎添翼,当然我们也应当知道光有先进的通讯网络还不够,还必须有信息服务系统,否则各种道路信息、城市公用设施信息是不会自动生成并传输给使用手机作为卫星定位终端使用者的,需要服务商提供各种信息服务。卫星定位的功能扩展是一个社会化的系统工程,既有政府的公共服务行为,也可以有市场运作方式。好在卫星发布的定位信息是一种“广播”式的传输,不会如同有线宽带光纤多了几个使用者,分配给每一个使用者的“带宽”就会减少,也就是说它几乎不存在数据“高速公路”的拥堵问题,可以无限度地增加接收终端,这就为卫星定位的功能扩展提供了极大的空间。

五、计算机的高速运算功能使得卫星定位系统实现对目标的动态跟踪.

利用卫星作为参照物而且是一个可以自己说话的参照物进行定位,极大地提高了定位效率,然而定位信号的传输尤其是计算是需要时间的,早期的卫星定位由于需要运算速度极高的计算机支持,卫星定位只能在不多的地面工作站实现,而且无法实现实时的动态跟踪。试想,高速行驶的汽车,当接收到卫星信号然后计算出位置参数时汽车已经行驶了好几百米,这个定位就没有什么实用价值了。

计算机技术的快速发展使得这个瓶颈迅速地得到解决,现在人们手持的高性能手机计算速度已经非常快,完全可以满足一般情况下的动态跟踪要求,“导航”这个高科技的术语进入到普通百姓的日常生活和工作中。

六、北斗卫星定位系统的建成极大地增强了我国综合实力.

卫星定位具有别的定位方式不可比拟的优越性:准确性高、应用简便、应用成本大幅度降低、利用通讯网络使得功能大幅度拓展,等等。但是长期以来我国都是租用美国的GPS卫星定位系统,无论是功能的扩展,还是安全性都存在很多问题。

经过多年努力,我国自己的北斗卫星定位系统基本建成,已经开始应用。这是我国科技界的一件大事,它的影响远远超出了科学技术范围,对我国政治、军事、经济和人民日常工作生活的影响是深远的,产生的效果是不可估量的。

到那时人们很多生活、工作都会围绕着北斗系统转:人们可以随时知道需要照看的孩子或者老人的位置,可以知道某件商品在附近的什么商店可以买到。地理测绘工作将会更加详尽、准确,城市地理信息系统更加完善,城市的地下地上管网和地形建筑情况一目了然,极大地提高了城市管理水平。中纪委提出在全国范围内让所有的公车都装上卫星定位系统,这将是一项投资少见效快的利国利民工程。

到那时,将会有一大批开发商、服务商围绕着北斗系统转,一大批新的、人们目前无法想象得到的应用将会拓展出来,例如,智能交通指挥调度系统,智能防灾系统、智能无人飞机和无人潜艇。到那时,围绕着北斗系统的各种产业将会兴起,形成一个新的、持续的发展机遇。(皮可慰\文)

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