南哥说北斗：北斗卫星导航的前世今生（一）

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2022-07-06 09:35:59 1

源起

“秋天到了，树叶黄了，一群大雁往南飞，一会儿排成个人字，一会儿排成个一字……”每每想成儿时的这篇课文，就会感慨于大雁的那份坚韧及执着。是什么，给了它们跋涉千里的笃定？又是什么，给了它们分毫不差的判断？分辨方向，找到回家的路，是它们一代又一代传承至今的技能。于是，我们才拥有了大雁南归，情系故里的感动；鲤鱼洄游，龙门一跃的兴奋和草原迁徙，万马奔腾的壮丽。

动物如此，人类何偿不是如此。小的时候，耳边不时会响起父母的嘱咐：出门在外，千万不要迷失了方向。于是，我们学会了利用太阳的影子，树林年轮的疏密，树叶的繁茂，山坡积雪的不同，夜空中北极星的位置……来分辨方向，带我们走出迷惘。

“回家”，这个最朴素的概念，常常带给我们三个思考：我在哪里？家的方向在哪里？回家的道路又在哪里？

“回家”，我们最初依靠的是经验和记忆。经验，告诉我们的定位和方向，记忆，可以为我们回家导航。我们不断把经验做成工具，就有了指南车，司南，牵星板，六分仪；我们通过实际测量，将记忆固化成统一的图表，就有了地图。带上地图和指南针，背起行囊，我们就开始了探索新世界的征程。

随着人类探索区域的不断扩大和探索领域的不断增加，我们对定位精度、运动准确度和应用范围的要求越来越高，导航技术也随之得到了极大的发展，在天文导航的基础上，无线电导航、多普勒导航、惯性导航、特征匹配导航、GNSS卫星导航等多种导航方式也逐渐来到了我们的生活中。

1957年10月4日，前苏联在拜科努尔航天中心发射了人类第一颗人造卫星——斯普特尼克一号（Спутник-1）。斯普特尼克一号是一只用铝合金做成的圆球，直径为58厘米，重达83.6公斤。圆球外面附着4根弹簧鞭状天线，其中一对天线长240厘米，另一对天线长290厘米。它在环绕地球的轨道上运行，距离地面最远时为964.1公里，最近时为228.5公里，轨道和地球赤道平面的夹角为65度，以96.2分钟时间绕地球1周。斯普特尼克一号在天空中运行了92天，绕地球约1400圈，行程6000万公里，于1958年1月4日陨落。

斯普特尼克一号开启了人类探索外太空的崭新篇章，在世界范围内引起了极大的轰动，也引起了全世界科学家的关注。美国约翰.霍普金斯大学应用物理实验室的W.Guier和G.Wieffembach博士通过跟踪、检测该卫星所发出的信号，发现了该卫星信号的多普勒频移现象。即卫星相对于地球运动时，信号频率增大；卫星远离地球运动时，信号频率减小。如果在地面已知位置上检测接收信号的多普勒频移曲线，就可以计算出卫星的运行轨道了。

基于逆向思维的方式，美国约翰.霍普金斯大学应用物理实验室的另两位科学家Frank McClure 和 Richard Kershnet博士提出可以利用卫星的多普勒频移现象计算出接收端用户的位置。这就是卫星导航系统的最初构想。

卫星信号多普勒频移现象的发现，让美军海军敏锐地意识到使用卫星定位的巨大潜力，他们于1958年起与美国国防部高级研究计划局（DARPA）联合开展研究，并成功开发出了世界上第一个卫星导航系统——子午卫星系统（Transit)，又名：海军卫星导航系统（Navy Navigation Satelite System，NNSS），以解决美国海军北极星潜艇的全球导航问题。