“听”卫星的话不迷路

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  人类很早就注意到电磁现象,但直到1864年才有完整的电磁波理论。1964年,英国科学家麦克斯韦在《电磁场的动力理论》中,第一次阐明了电磁波传播的理论基础。23年后,德国物理学家赫兹在实验室里第一次证明了电磁波的存在。此后更多电磁波被发现,它们的区别只在于波长与频率不同。
  无线电指的是能在所有自由空间(包括空气和真空)中传播,波长在3KHz~300GHz之间的电磁波。人们发现,导体中电流强弱的改变会产生无线电波,只要通过调制将信息加载到无线电波上,发射后由专门的设备接收,再通过解调就能将信息“提取”出来,这便完成了信息的传递。
  1901年12月12日,加拿大东南角的纽芬兰讯号山,来自意大利的著名无线电工程师伽利尔摩·马可尼用气球和风筝架设起接收天线,成功接收到来自英国西南角宝窦的摩尔斯电码“S”。这是人类有史以来第一次跨过大西洋进行无线电通信。从此,无线电真正成为一种实用的通信媒介。人类的导航方式也从罗盘时代正式进入了无线电时代。
  无线电导航系统:前所未有的先进导航技术
  人类驾驶飞机冲上蓝天后,船舶不再是唯一的越洋交通工具。飞机越飞越远,船舶越开越快,这对导航提出了更高的要求,现有的导航技术显得捉襟见肘,这便催生出更先进的无线电导航系统。
  无线电导航系统就是利用无线电技术,对飞机、船舶或其他运动载体进行导航和定位的新型导航系统。无线电导航系统的精度更高、作用距离更远、定位时间更短,使用不受时间和天气的限制,是真正的全天候导航。它一面世就秒杀了之前任何一种导航方式。无线电导航系统很多,包括无线电罗盘、伏尔导航系统、塔康导航系统、罗兰导航系统、奥米加导航系统、多普勒导航系统等,其中又以罗兰导航系统影响最大。罗兰导航系统(简称“罗兰”)是采用脉冲体制的双曲线无线电导航系统。美国国防部研制罗兰最初是为了满足军事需要。罗兰的作用距离约为1300千米,工作区定位准确度约926米~1852米。夜间利用天波传输,罗兰的作用距离可高达2592.8千米。也是因此,罗兰一出世就因为可靠性强、准确度高、有效范围大、造价经济而受各方青睐。
  进入民用范畴后,罗兰的发展势头就更迅猛了。它很快便拥有了30多万海洋用户、50多万航空用户以及数目可观的陆地用户。后来美国又研发了新一代罗兰,无论作用距离还是精度较老罗兰都有很大的提高。为了区分,老罗兰更名为“罗兰A”,新罗兰则为“罗兰C”,为军方服务的“罗兰”则为“罗兰D”。
  名词解释
  天波
  天波是经过空中电离层的反射或折射后返回地面的无线电波。
  大气层中的电离层就像一面镜子,能将无线电波反射回地面。经过地面与电离层的多次反射,无线电波的传播距离可高达10000千米以上。这种利用电离层反射的传播方式被称为“天波传输”。
  超级链接
  无线电专利权之争
  1893年,美国科学家尼古拉·特斯拉在圣路易斯首次公开展示了无线电通信。随后,他在为全国电灯协会所做的报告中描述并演示了无线电通信的基本原理。1897年,他在美国获得了无线电技术的专利。然而美国专利局在1904年撤销了他的专利权,并将这一专利转而授予伽利尔摩·马可尼。
  早在大学期间,马可尼就已经成功将无线电信号发送到2千米之外,他也因此成为世界上第一台实用无线电报系统的发明者。1897年,马可尼在伦敦成立马可尼无线电报公司。1909年,他获得了诺贝尔物理学奖,被尊称为“无线电之父”。
  马可尼在1937年去世,特斯拉也在1943年去世,一切似乎已经盖棺论定了。可就在特斯拉去世同一年,无线电专利之争风云再起。美国最高法院撤销了马可尼的专利,并裁定特斯拉的发明在马可尼的专利之前就已完成,认可他对无线电关键技术的专利优先权。据说之前撤销特斯拉专利权的行为,可能是受到爱迪生、卡耐基等大人物的影响。这些大人物是马可尼在美国的经济后盾。后来撤销马可尼的专利权,则是为了避免在“二战”期间付给马可尼公司专利使用费,当然这也都是些坊间传闻而已。
  无线电波容易被发现,也容易受到干扰。如果再让敌人顺藤摸瓜找到地面导航台,并加以破坏,导航系统就瘫痪了。为了避免导航台受到破坏,最好的方法是将它们藏起来。可——究竟藏在哪里才真正安全呢?
  卫星导航系统:被“藏起来”的无线电导航系统
  1957年10月4日,苏联发射了世界上第一颗人造卫星。之后美国、法国和日本也相继发射了自己的人造卫星。人造卫星技术的成功让无线电导航系统的发展进入了卫星时代。
  卫星导航系统是目前最先进的导航技术。它由空间部分、地面控制部分和用户设备部分共同组成。从本质来说,卫星导航系统也是一种无线电导航系统,只是关键部件被“藏”到卫星上,使用信号也从模拟信号变成数字信号。
  美国从20世纪60年代开始研制卫星导航系统。经过30多年的努力,终于建成了全球卫星定位系统(简称“GPS”)。GPS最初是军方项目,建立后也在军方服役。冷战结束后世界格局发生了变化,而民间对卫星导航系统的需求又极强,于是GPS顺应时势进入了民用领域。如今每颗GPS卫星都会发送两种频率的载波信号:一种是民码,抗干扰能力较差,供民间和商业用户使用,用户可自由接收:另一种是军码,抗干扰能力较强,采取加密方式,只提供给军方和特许用户使用。
  GPS是目前使用人数最多的卫星导航系统。人们只需购买有GPS功能的终端设备,就能免费使用GPS了。仅仅用了20年时间,GPS就改变了人类的生活:开车导航用GPS、物流追踪用GPS、找餐馆用GPS、导弹发射用GPS……
  小贴士
  子午仪卫星导航系统建成于1964年,是世界上第一个卫星导航系统。它专为美国海军而研制,所以也叫“海军卫星导航系统”。
  卫星导航系统是一种海陆空全方位的导航,攸关制天权和制信息权的争夺。没有自己的独立卫星导航系统,就等于把咽喉要害交由别人去控制。也是因此,俄罗斯坚持恢复格洛纳斯卫星导航系统(简称“GLONASS”),欧盟加紧建设伽利略卫星定位系统(简称“GALILEO”),我国则致力于研制北斗卫星导航系统(简称“BDS”)。
  名字解释
  模拟信号和数字信号
  摄像机拍摄的图像、录音机录下的声音、仪器记录的压力、转速、湿度等都是模拟信号。在传送过程中,模拟信号不可避免地会因为受干扰而失真,其失真的程度与传送的距离成正比。数字信号则是不连续的信号,抗干扰性较强,能较好地避免信号失真。只要经过信号转变器的处理,模拟信号就能转变为数字信号。不过这种处理算法较复杂,对硬件的要求较高。
  北斗卫星导航系统:我国自主研发、独立运行的全球卫星导航系统
  我国研发卫星导航系统的想法并非近年来才有的,早在1967年,我国海军就已经提出要发展导航卫星的建议。1970年4月24日,我国成功发射了第一颗人造卫星“东方红一号”,这为发展导航卫星的设想插上了翅膀。1970年11月,“灯塔一号”导航卫星计划正式开始。遗憾的是,这座“灯塔”最终夭折了,但是研发卫星导航系统的火种从没熄灭过。
  2003年,我国科学家完成了北斗卫星导航试验系统,那时幼小的它还只有区域导航功能。之后,我国科学家便开始构建北斗卫星导航系统了。完整的北斗卫星导航系统由空间段(5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星)、地面段(主控站、注入站和监测站)和用户段(信号接收机)三部分组成。监测站负责接收卫星的信号,经初步处理后发送到主控站:主控站汇集各监测站传来的数据进行处理,并将结果(导航数据和指令)发送到注入站:注入站在每颗卫星运行至上空时,把导航数据及主控站指令注入卫星。
  2012年,北斗卫星导航系统正式向亚太大部分地区提供服务。2014年11月,它获得了为全球航海用户服务的资格,成为继GPS和GLONASS之后,第三个得到国际海事组织认可的全球卫星导航系统。按计划,北斗卫星导航系统将于2020年完成全球体系的构建。目前它仍处于边建设完善边提供服务状态中。
  随着运输工具的多元化,卫星导航系统所服务的也不再局限于航海一隅,而是实现了海陆空全覆盖。如今不管你是驾船出海、驾机上天还是驾车出行,不管你置身何处,强大的卫星导航系统总能找到你。只要你“听”卫星的话,就不会迷路。
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