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第13章 为时空立法——导航卫星(2)

美国保留限制GPS信号强度,或关闭公众的GPS精度的权利。最初,最优质精确的GPS信号保留用于军事用途。美军及其盟国在冲突时将能够使用它。亚洲的日本、韩国、中国台湾、沙特阿拉伯、科威特可使用军事信号。GPS信号也可用于民用,提供给非军事用户,但精度有限,信号已经过故意退化、“可用性选择”等技术处理。美军将计时脉冲畸变的过程,称为“可用性选择”。1983年9月1日,一架大韩航空公司飞机007航班,承载269人,在经过苏联边境时偏离航线,进入萨哈林和莫涅龙岛附近禁飞领空。苏联认为飞机故意进入军事基地侦察将飞机击落,结果机毁人亡。为了避免灾难再次发生,美国总统罗纳德·里根发出一项指令:GPS可供民间自由使用。2000年5月1日,美国总统比尔·克林顿宣布,从午夜零时起,GPS 的“可用性选择”关闭。民用全球定位系统的精度从300米提高到20米。

全球定位系统的特点是高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。全球定位系统定位误差不大于10米,时间误差不大于0.1秒,授时精度优于0.000001秒,仅需几秒钟到十几秒钟就能够确定自己的位置和精确时间。

美国GPS有一项撒手锏——“快门”控制。在发生战争时,美国将启动“快门”,不让敌人利用GPS。通过暂时关闭某一战区的信号、加入密码授权等方法,使敌方军队难以利用GPS。

全球定位系统有3个精度标准,数值越小越好。定位精度以“米”为单位,速度精度以“米/秒”为单位,时间精度以“纳秒”为单位。纳秒只有十亿分之一秒。时间精度和速度精度比较容易实现,导航卫星专家努力追求的是定位精度。全球定位系统的精度很高。目前,精确制导导弹主要有几种:红外成像制导导弹、合成孔径雷达制导导弹、激光制导导弹和卫星制导导弹。卫星制导导弹上安装了卫星导航仪。导弹计算自己的三维坐标、时间、速度,修正飞行轨迹。导弹还必须知道攻击目标的三维坐标,甚至移动速度、方向、时间,计算出最精确的攻击航线,主动和自动寻的。

在第二次海湾战争中,美军要攻击一座伊拉克的水电站,必须切断首都巴格达的电源。怎样切断电源,而又不彻底摧毁水电站呢?

“我认为最好在大坝上钻一个洞,上校。”

“说得容易!用什么在大坝上恰当的位置钻一个恰当的洞。特种部队?”

“不,上校,激光制导导弹能做这个外科手术,创口精度1米。没有比这个更精准的了。”

美军战机发射了激光制导的第一枚导弹,先炸开了一个洞口;一分钟后第二枚导弹从洞口钻进,给水电站进行了一次漂亮的微创手术。卫星制导导弹比激光制导导弹更聪明。它会重新选择攻击目标,甚至拐弯。

美国已发展了三代全球定位系统。它将改善导航精度,为作战人员和民用用户服务,并提供全球先进的抗干扰能力,提高系统的安全性、准确性和可靠性。第三代全球定位系统由32颗新型卫星组成,精确度达1米,能掌握全球的任何风吹草动。第一颗第三代全球定位系统“GPS-3A”将于2014年发射。

“格洛纳斯”全球定位系统

俄罗斯的“格洛纳斯”全球定位系统,能够在全球任何地方、任何时间精确测出三维位置、三维速度、时间和姿态参数。“格洛纳斯”系统可为用户提供高精度差分导航、自主精确导航、时间和频率基准、海上台站管理以及精密测量等。

20世纪60年代末到70年代初,苏联确定发展以新卫星为基础的无线电导航系统。精确航行、精确打击是苏联梦寐以求的目标。1970年,苏联批准建立一个卫星导航体系。1976年12月,苏共中央委员会和苏联部长会议决定:统一空间导航系统,研发部署全球导航卫星系统。

“格洛纳斯”全球定位系统有3个系列:“格洛纳斯”、“格洛纳斯-M”和“格洛纳斯-K”。从1982年到1991年4月,苏联成功发射了43颗导航卫星,以及5颗试验卫星。 1991年苏联解体,俄罗斯联邦总统鲍里斯·叶利钦下令继续发展新一代全球导航卫星系统。1993年9月24日,新一代全球导航卫星系统开始运作,1995年12月完成。由于俄罗斯无法维持系统,2002年4月,只有8颗卫星在运行,几乎成为一个无用的全球导航系统。

“格洛纳斯”导航卫星采用增压密封圆柱体,重约1400千克,高3米,功率为1600瓦,寿命1~3年。卫星下面装有各种测控天线、姿态敏感器等。卫星主体外装有游动发动机、姿态控制系统、热控制散热窗。卫星均采用三轴稳定方式,采用精密铯钟作为频率基准。一对太阳能帆板展开时宽度为7米以上。到2005年12月25日,第一代“格洛纳斯”卫星共发射了87颗,其中2次6颗失败。

“格洛纳斯-K”是俄罗斯第三代导航卫星,采用三轴稳定系统,运行在距地球19100千米、倾角64.8°的圆轨道上。“格洛纳斯-K”由21颗卫星组成星座,3颗备份。卫星的寿命增加到10~12年,重量减轻到只有750千克,并提供额外的L频段导航信号。

“格洛纳斯”导航系统不但为海军舰艇提供方向坐标,为核导弹指引目标、运动速度信息,还为俄罗斯的战斗机、轰炸机、直升机、坦克、步兵战车、导弹发射架、火箭炮、火炮、突击队、空降兵提供准确的地理和空间信息。俄罗斯的重武器将全部装备新一代导航系统。

“伽利略”卫星导航系统

天文学家伽利略做梦也想不到,欧洲的卫星导航系统用他的名字命名。当名人真好,当一位有名的科学家更好。“伽利略”卫星导航系统由欧洲空间局建设,是“以和平为目的”的民用卫星定位系统。中国、印度等国与“伽利略”没有血缘关系,但都参与了“伽利略”卫星导航计划。

“伽利略”卫星导航系统的优势是卫星数量多达30颗,备份3颗,均匀分布在3个轨道中。它最高精度是1米,抗干扰能力是最强的,优于美国第二代“全球定位系统”。卫星专家说:如果“GPS”能找到街道,“伽利略”可找到车库门。“伽利略”导航卫星重640千克,运行在距地球23616千米、倾角56°的轨道上。

“伽利略”卫星导航系统每8秒钟就刷新一次定位信息。每当足球大赛的时候,总少不了纠纷,于是欧洲的裁判提议:让导航卫星当裁判。足球比赛时,在足球上和足球队员前锋的腿上装上微型卫星定位仪,精确地获取位置信号,判断是否越位或出界。导航卫星当裁判很公平,不会徇私、错判和漏判。

卫星导航与外科手术有什么关系呢?以前没有关系,现在太有关系了。科学家设想:一个病人脑血栓或血管堵塞,这种病很危险,非死即残。医生告诉家属说:“一般的方法只能打开病人的头颅或血管,取出血栓。这样的手术对病人都是一种无奈和损害。”

“那有什么好方法呢?”

欧洲的医生会告诉说:“我们正在用一种新方法。纳米机器人将病人带到另一个奇妙的微观世界。刀口微小,只有针眼那么大,手术无痛苦、时间短。”

“纳米机器人能行吗?”每当家属发出疑问时,医生就会放一段录像,详细讲解先进的医学和高超的新科技。将一颗极小的纳米机器人放入血管,在卫星导航系统的指引下,精确地到达患处攻克、粉碎血栓。病人从手术室里出来,就好像做了一个梦。

“北斗”卫星导航系统

“北斗”卫星导航系统是中国的“北斗星”。“北斗”导航系统的建设目标是建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的卫星导航系统。

“北斗”卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。空间段:5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面段:包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户段:包括“北斗”用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。“北斗”卫星导航系统可覆盖中国(包括台湾地区)和邻近国家。

“北斗”卫星导航系统已发展了三代。中国第一代“北斗”导航卫星共4颗,运行在距地面36000千米的静止轨道上。2000年10月30日,第1颗“北斗-1”搭乘“长征-3A”运载火箭升空。2007年2月2日,第4颗“北斗-1”发射后,进入“休克状态”,经过抢救最后苏醒,承担起导航的重任。

第二代“北斗-2”系统由5颗静止轨道卫星和10颗中轨道卫星组成。“北斗-2”卫星导航系统的定位精度为10米,授时精度为50纳秒,测速精度为0.2米/秒。

“北斗”卫星导航系统可向用户提供高质量的定位、导航和授时服务。服务方式分为开放服务和授权服务两种方式。开放服务是向用户免费提供定位、测速和授时服务。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户,提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。

中国逐步将“北斗”扩展为全球卫星导航系统。“北斗”全球卫星导航系统建成后,中国军队也将拥有自己的全球卫星导航系统。战机、军舰、导弹、坦克都可以精确地飞行、前进和命中目标,每个士兵也可以装备一套系统。如果那样的话,许多猎物还未反应过来,就成了“盘中餐”。

“准天顶”卫星导航系统

日本宇宙航空研究开发机构早就在研究导航卫星了。日本气象局和交通省研发的被称为多功能传输卫星的空间系统,是日本早期的定位卫星。这两颗卫星分别于2005年2月、2006年2月发射升空。

多功能传输卫星是一颗通信、气象卫星,又是一颗导航卫星。它像一个太空交警,能说话,能指路,还能看天气,所以称为多功能卫星。它位于太平洋东部上空的地球同步轨道上。

多功能传输卫星主要用于航空交通指挥,甚至能为人类发往月球和火星的航天器指引方向。当然也能进行陆地、海洋导航,哪怕在太平洋的深处,也不用担心会迷路。客车公司可随时知道车辆的运行情况;父母也可随时了解乘校车的孩子的位置;公交车站设置显示器,显示有关车辆的运行和到站信息;银行押款车就可以凭借卫星导航实现无人驾驶。用卫星导航装备的残疾人轮椅、生活机器人等也将陆续呈现在人们面前。

日本的“准天顶”卫星系统,由3颗运行在不同轨道的导航卫星和1颗定位精度达25厘米的卫星组成。它们在距地面约36000千米、倾角70°的静止轨道上,以每天与地球同步的速度运行。从日本本土上看,无论任何时候都会有1颗卫星停留在靠近天空顶点的地方,因此称为“准天顶”导航定位系统。

“准天顶”卫星技术运用一种新型的卫星计时系统,计时不需要参照现有导航卫星系统,例如美国全球定位系统、“伽利略”系统的星载原子钟。这是时钟同步行为的概念,为位于地面上的网络提供可区别转发器转播的同步远程精确时间。这使得系统运作时,日本卫星地面站可获得最佳的直接定位与授时。“准天顶”卫星导航系统的服务范围主要是日本、东南亚和澳洲。

“准天顶-1”导航卫星于2010年5月8日运往种子岛航天中心。2010年9月11日,日本第一颗“准天顶”卫星从日本种子岛航天中心发射成功。这标志着“准天顶”卫星导航系统开始部署,预计到2013年发射完毕。

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