巡航在蒼穹的盾牌_談天說地講測繪

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)——GPS

從曼伯的特殊“背包”說起

在小J生日那天，媽媽送了生日蛋糕，爸爸送的禮物是法布爾的書《昆蟲記》，爺爺自然也有禮物，那是剛剛得了奧斯卡2006年動畫片獎的DVD《快樂的大腳》。

小J喜歡看動畫片，跟爺爺?shù)囊龑?dǎo)分不開，那是從小就養(yǎng)成的愛好。他喜歡迪斯尼的動畫片米老鼠與唐老鴨系列，還有《白雪公主》、《貓和老鼠》，也喜歡國產(chǎn)的動畫片《大鬧天宮》、《寶蓮燈》等，所以，收到爺爺?shù)亩Y物以后，格外高興，便想法見縫插針，斷斷續(xù)續(xù)地看了一遍。

這部動畫片一開始就把小J吸引住了，童話里講的是南極帝企鵝“倫普部落”中與眾不同的大腳企鵝曼伯的經(jīng)歷。曼伯從小在企鵝學(xué)校里學(xué)習唱歌時，因為嗓音特別而讓老師擔憂，后來獨自出游時，又險遭老鷹和海豹的襲擊，憑著機智，終于化險為夷。但曼伯的大腳受到倫普部落族長的歧視，被族長逐出部落。曼伯不但不記恨，反而獨自前往冰洋歷險，去尋找食物短缺的原因。曼伯終于親眼看到，人類駕著輪船，張著大網(wǎng)捕獵魚類，企鵝食物短缺的原因找到了，但曼伯也成了犧牲品，被大網(wǎng)掠走，到了一座人工營造的冰山，供人類觀賞。曼伯用那雙大腳跳起了踢踏舞，引起游客的喜歡，曼伯得到的獎賞是大量的鮮活魚類，食物竟意想不到地解決了。曼伯興高采烈地回到倫普部落，告訴所有伙伴，只要使勁地跳踢踏舞，食物就自然會得到解決，這席話遭到族長嚴厲的駁斥。就在此時，裝在曼伯背后的電子儀器響了起來，引來一架直升機，停在冰峰頂部，從飛機上走下5個穿著紅衣服的研究人員，他們看到漫山遍野的企鵝全在跳踢踏舞，整齊的節(jié)拍驚天動地。“企鵝在干嗎呀？”人們被眼前的景象驚呆了，便把錄像帶回去研究。“企鵝是在抗議人類破壞了它們的食物鏈！”這是人類得出的結(jié)論。當冰海的自然環(huán)境保持和諧時，企鵝部落的子民終于吃到了魚類。

“爺爺，我看了這部動畫片心里覺得不是滋味，人類是不是太貪婪！”

爺爺苦笑一下，無奈地說：“這部動畫片警示人類要保護自然界的生態(tài)平衡，要保護環(huán)境，雖然這層意思是委婉地表達出來的，但觀眾都能看明白，這就是大腳企鵝曼伯引起你同情的原因。企鵝是溫順的動物，不會傷人，但現(xiàn)在連大象都會發(fā)怒，有時主動向人類發(fā)起攻擊?！?/p>

“爺爺，大象挺溫順的，干嗎要攻擊人類呀？”

“最近的電視報道，那是由于人類開墾土地，原始森林的面積日益縮小，象群的棲息地受到了侵犯，便結(jié)隊來踐踏人類種植的莊稼，人類驅(qū)趕象群，使用了獵槍，小象被擊中，傷重而死，母象悲傷之余，便在小象遭槍擊的地方攻擊人類，一位農(nóng)婦竟被踩死。所以，建立和諧社會，不僅僅是人與人之間的事，人類也要善待動物，讓自然界和諧相處?！?/p>

“我就聽媒體常常在呼吁，不要獵殺野生動物，自然界中的野生動物，瀕臨滅絕的物種越來越多了，有些人還特意想品嘗珍稀的野生動物，結(jié)果讓野生動物的疾病傳播到人類身上。爺爺，是這樣嗎？”

“對呀，SARS病毒，就是從動物身上傳播到人類的，還流行了一陣子呢。這是指要善待動物，特別是對那些瀕危的動物，不但不能獵食，還要保護才對。對待動物是這樣，對待植物也一樣，最近印度孟買市大水泛濫，跟紅樹林的大面積消失有關(guān)，這原始的紅樹林帶是海陸之間的緩沖帶，但隨著人口膨脹，城市地價上漲，帶動房價上揚，為了改善居住條件，便去伐紅樹林，擴充城市面積，這樣一來，破壞了環(huán)境的生態(tài)平衡，結(jié)果城市在自然災(zāi)害面前變得非常脆弱。”

“爺爺?shù)囊馑嘉叶?，要保持自然界的生態(tài)平衡，不光要善待野生動物，還要綠化環(huán)境，善待植物?！?/p>

“對啦！這些道理從小得記住。等你長大了，有了知識，學(xué)會了本領(lǐng)，不管從事什么專業(yè)，心里都得牢記環(huán)境保護，盡量為維持生態(tài)平衡作出一些貢獻?！?/p>

“我記住了！還有一個問題，爺爺送的那部動畫片DVD，主角曼伯被人類放回來時，背上的那臺電子儀器是GPS接收機嗎？”

“你猜對了?？赡莻€盒子里除了GPS接收機外，還應(yīng)該有發(fā)送數(shù)據(jù)的遙感裝置，不然人類咋知道曼伯回到哪去了？”

“在現(xiàn)實中，對瀕危動物的研究不是也可以采取這種辦法嗎？”

“你說得對。其實，生物學(xué)家們早就這樣做了，有些較大的物種，還可以加上微型的攝像機，這樣，在實驗室里通過微型計算機，不僅可以知道動物本身的活動軌跡，還可以通過顯示屏，觀察到物種活動的環(huán)境，只有掌握了動物的習性和活動規(guī)律，才能更好地保護這些種群，而對廣袤的海洋生物，這種遙控觀察就顯得更重要了?！?/p>

“經(jīng)爺爺這么一說，我覺得千里眼和順風耳的觀察范圍越來越廣泛啦?！?/p>

“孩子，你可要知道，這GPS是解密以后才允許轉(zhuǎn)入民用的?！?/p>

“那最早是為了軍事目的才去研制的啦？”

“是的。這是在1959年由美國海軍武器實驗室委托霍布金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室研究子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)Transit，1964年1月研制出來以后裝在北極星核潛艇上，用作導(dǎo)航定位。但這種系統(tǒng)僅用4～5顆衛(wèi)星組成導(dǎo)航網(wǎng)，因而在全球范圍只能斷續(xù)給出兩維坐標，即經(jīng)度和緯度。為了獲取三維坐標，美國政府著手研制新的導(dǎo)航系統(tǒng)，海軍和空軍各提出一套計劃，限于經(jīng)費，美國國防部于1973年批準成立一個聯(lián)合計劃局，指定由空軍領(lǐng)導(dǎo)一個辦事處，負責新系統(tǒng)的研究，這就是全球定位系統(tǒng)GPS計劃。這個計劃汲取了海軍導(dǎo)航新計劃Timation和空軍導(dǎo)航計劃621B的優(yōu)點，研究人員中，不僅調(diào)集了海軍、空軍和陸軍的工程技術(shù)人員，還有國防部測繪局的研究人員和當時北約集團其余九國的代表。這項計劃是繼阿波羅登陸計劃和航天飛機計劃之后的第三項主要空間計劃，英文全稱是Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System，直譯過來就是導(dǎo)航衛(wèi)星測時和測距/全球定位系統(tǒng)，其英文縮寫詞是NAVSTAR/GPS。我們一般使用其簡稱GPS?！?/p>

說著，爺爺找來一張白紙，寫下一串英文名稱，交給小J。

小J仔細看完英文名稱，又勾起了想了解這項新技術(shù)的有關(guān)知識的強烈愿望，正想繼續(xù)提問題，但爺爺一看小J的眼神就明白，便賣了個關(guān)子，告訴小J：“今天晚了，你有一大串的問題在等著哩，咱們以后找時間再細聊，好嗎？”

“那——好吧。”

軍事觀察家們的一次激烈爭論

那是一個周末的晚上，小J做完了作業(yè)，把書桌收拾利索，便默默地坐在爺爺旁邊的沙發(fā)上，眼巴巴地瞅著爺爺。他突然發(fā)現(xiàn)，爺爺?shù)念~上雖然刻著深深的皺紋，但那張紫銅色的臉上，卻透著孩子氣，就像每條紋路里，都深藏著金燦燦的陽光，讓人看上去暖融融的。

爺爺合上新出版的一本紀實文學(xué)書籍，抬頭瞟了小J一眼，心里頓時明白了：“哦——想繼續(xù)聽有關(guān)GPS的事，我沒猜錯吧？”

小J點點頭。

爺爺說：“這樣吧，我先給你講個故事，聽說過海灣戰(zhàn)爭嗎？”

“不就是第一次攻打伊拉克嗎？”

“事情是由于伊拉克入侵科威特引起的。那是在1990年8 月2日凌晨2時，伊拉克的10萬軍隊就越過邊界，不到一天，便占領(lǐng)了科威特全境。聯(lián)合國立即做出反應(yīng)，通過了關(guān)于海灣危機的660號決議，對伊拉克進行譴責，并要求伊拉克軍隊立即無條件地撤出科威特。伊拉克不但沒從科威特撤軍，反而集結(jié)了更多的部隊，準備進攻沙特阿拉伯。美國總統(tǒng)老布什就決定派兵進駐沙特阿拉伯，實施‘沙漠盾牌’計劃，這時是1990 年8月4日，除美國外，還有英國、德國、法國等30多個國家加入這一計劃。到了11月29日，聯(lián)合國安理會以12票對2票的表決，通過了授權(quán)使用武力將伊拉克趕出科威特的678號決議，并給伊拉克撤軍規(guī)定了最后期限是1991年1月15日。當時，中國投了棄權(quán)票?！?/p>

“為啥投棄權(quán)票呢？”

“中國是反對伊拉克入侵科威特的行為，所以，對678號以前譴責伊拉克入侵行為的有關(guān)決議是贊成的，但認為伊拉克和科威特之間的爭端應(yīng)該在阿拉伯世界內(nèi)部解決，大國如果介入，會導(dǎo)致國際形勢復(fù)雜化。但在最后期限之前，在各國促使下，伊拉克和美國的最后一次談判也破裂了，于是，持續(xù)了5個多月的‘沙漠盾牌’行動便告一段落，‘沙漠風暴’行動正式開始，時間是1991年1月17日凌晨（北京時間是8時），以美國為首的多國部隊集結(jié)的兵力達70萬人，其中美國約43萬人，第一次海灣戰(zhàn)爭終于拉開序幕。這是第二次世界大戰(zhàn)以后美國在境外集結(jié)軍隊規(guī)模最大的一次?！衬L暴’行動以空襲為主，動用了多國部隊的空軍和海軍。而代號為‘沙漠軍刀’的地面戰(zhàn)斗是從2 月24日凌晨開始的，經(jīng)過100小時的立體進攻，多國部隊不僅收復(fù)了科威特，而且占領(lǐng)了伊拉克2.6萬平方千米的領(lǐng)土。2月28日上午8時，老布什下令美軍及其盟國的軍隊?；稹?小時以后，薩達姆也被迫宣布?；穑o條件接受聯(lián)合國安理會的12項決議，地面戰(zhàn)斗終于結(jié)束，第一次海灣戰(zhàn)爭畫上了句號，歷時42天。伊拉克不僅被逐出了科威特，而且軍隊和武器損失慘重，基本上喪失了繼續(xù)戰(zhàn)斗的能力。”

“是實力相差太懸殊嗎？我聽說，伊拉克一天就占領(lǐng)了科威特，在這之前，跟伊朗打了8年仗，打成平局，在中東也算是夠厲害的啦！”

“這叫棋逢對手呀！說實在的，這次海灣戰(zhàn)爭其實是新式武器的試驗場，難怪戰(zhàn)爭剛結(jié)束，美國及其盟國的軍事觀察家們便按捺不住，開了個研討會，看看克敵制勝的究竟是哪個軍種或兵種？”

“爺爺，這場爭論肯定非常激烈！”

“主張空中突襲的觀察家首先開腔，他說：‘這不是明擺著的嗎？還不是沙漠風暴開始的時候，空軍實施輪番打擊，炸毀了伊拉克大部分導(dǎo)彈基地、空軍基地、指揮中心、交通干線、煉油廠和電站，使對方陷于癱瘓狀態(tài)，大大削弱了反抗的能力?！腥肆⒖虛尠祝骸@飛機也不全是空軍的，從航空母艦上起飛的飛機也不少。還有，海軍的機動性能強，海軍應(yīng)該是起決定作用的軍種?！@時有人反唇相譏：‘得了吧！哪有光憑飛機決定勝負的！空襲頭一天就損失了7架飛機，伊拉克政府還把10多名俘獲的多國部隊飛行員帶到電視臺，讓他們在電視屏幕上回答問題，多丟人現(xiàn)眼?！腥苏f：‘最主要的是電子戰(zhàn)，包括雷達對抗、無線電通信對抗、光電對抗，還包括水下探測與反探測電子對抗等，在最初幾輪轟炸之后，伊拉克在電子對抗中很快地喪失了對抗能力，結(jié)果，升空的作戰(zhàn)飛機很快被擊落，地對空導(dǎo)彈無法攻擊對方的戰(zhàn)機，只能靠高射炮來對付，命中率約1‰，所以，電子戰(zhàn)應(yīng)該當老大’，有人則表示：‘還是巡航導(dǎo)彈好，你們看，這戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈發(fā)射后超低空飛行，雷達發(fā)現(xiàn)不了，在數(shù)百千米之外就可以向目標發(fā)射，既安全，又可靠，這高科技的武器，才是一張王牌。’還有的觀察家不服氣，忍不住說：‘飛機也好，導(dǎo)彈也罷，只能摧毀軍事目標，即使把對方全炸平了，能解決什么問題？坦白地說吧，要想把對方趕出入侵的土地，并占領(lǐng)對方的領(lǐng)土，讓對方無力反抗，這全得靠陸軍，準確地說，得靠陸軍中的新騎兵——武裝直升機，例如阿帕奇直升機，配有激光制導(dǎo)的地火導(dǎo)彈，作戰(zhàn)時可以由地面的士兵或另一架直升機向目標發(fā)射激光束，導(dǎo)彈就直奔目標去了，攻擊地面坦克時百發(fā)百中。還有就是在第一次世界大戰(zhàn)中出現(xiàn)的坦克，今天仍然是發(fā)動地面閃電戰(zhàn)的得力武器，所以，陸軍是最最主要的?！腥擞X得這是老生常談，爭論了一圈，又回到最古老的軍種了，這位軍事觀察家沒說答案，倒是反問了一句：‘這空軍和海軍襲擊軍事目標，有些遠在數(shù)百千米之外，看都看不見，怎么襲擊軍事目標呀？而伊拉克在幼發(fā)拉底河西岸是大片沙漠，地面部隊進到里面連自己的位置都確定不了，這仗咋打呀？’”

“爺爺，這確實是問題，武器再先進，找不到軍事目標也是無用武之地呀！”

“這一問呀，可把這些個滿肚子學(xué)問的軍事觀察家們給噎住了，難道克敵制勝，還有什么新軍種嗎？”

“對啦，總得有排行老大的呀！”

“那位資深的軍事觀察家最后不慌不忙地揭開了謎底，他說：‘打仗離不開圖，以前的戰(zhàn)爭用的是紙圖，但在第一次海灣戰(zhàn)爭中，用的是電子地圖，這是裝在微型電子計算機內(nèi)存中的，它既可以裝在飛機上、軍艦中、坦克里，也可以裝在巡航導(dǎo)彈內(nèi)，所有的軍事目標可以從電子地圖中讀出，也可以引導(dǎo)各軍種的裝備去靠近這些要打擊的目標，只要在射程之內(nèi)，武器就會在發(fā)射以后自動飛向軍事目標，即使是對方指揮部的地下掩體，也可以從通風口鉆進地下爆炸，這就是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的信息戰(zhàn)，而各軍種的裝備，依靠GPS，可以精密地確定所在的位置，即使是身處沙漠腹地的坦克手或步兵，也不會在沙漠里迷失方向?！?/p>

“爺爺，我聽老師說過，我國有位科學(xué)家彭加木是在沙漠中考察時失蹤的，那時他要能帶上個袖珍的GPS就不會迷路了?！?/p>

“可惜呀，那時民用的GPS產(chǎn)品還沒有便攜式的?！?/p>

“聽爺爺這么一說，我倒猜出來了，那位軍事觀察家是明明白白地說，在現(xiàn)代的信息戰(zhàn)中，測繪兵應(yīng)該坐頭把交椅呀！對不？”

“哈哈，這結(jié)論倒是讓你給猜出來了。當時美國參謀長聯(lián)席會議主席鮑威爾說過：‘這次在伊拉克的夜空中發(fā)生的一陣接一陣的爆炸聲，已開始了一個新紀元，人們稱之為高技術(shù)戰(zhàn)爭。人們談?wù)摰囊巡辉偈桥诨鹬г痛竺娣e轟炸行動，而是外科手術(shù)室的切割，智能武器系統(tǒng)，精確命中率和計時作戰(zhàn)行動。’”

“等一等，爺爺！我在納悶，這電子地圖能這么快就進入各軍種的裝備里嗎？”

“你算算看，從‘沙漠盾牌’到進行‘沙漠風暴’，中間不是有一段間隙時間嗎？在這期間美國和其盟國利用衛(wèi)星相片和航空相片，集中了數(shù)千名軍事測繪人員，利用精密的解析測圖儀器，已經(jīng)將伊拉克全境及其周邊與鄰國接壤地帶的數(shù)字地圖覆蓋完畢，這就是裝入各軍種裝備里的電子地圖。電子地圖存儲在武器中的微型計算機內(nèi)，俗稱電腦。而電腦沒有電子地圖就看不到地球表面的一切，所以，這電子地圖就好比是給電腦配上了眼睛?！?/p>

“可是，爺爺，這要是打起仗來，有許多軍事目標是可以移動的，交戰(zhàn)雙方都不可能等在那兒挨打呀，在高度機動的情況下，這不能及時反映地面動態(tài)的電子地圖還那么重要嗎？”

“這問題提得好！這電子地圖好比是基礎(chǔ)，那些移動的目標，無論移動到哪里，總可以用三維坐標描述出移動的軌跡，這軌跡咋計算呢？就得靠移動目標在電子地圖上留下的點位，這不斷變化的點位可以從電子地圖上讀出三維坐標?！?/p>

小J拍了一下大腿，驚喜地說：“爺爺，我明白啦，根據(jù)不斷變化的點位，可以算出地面目標的移動軌跡，只要移動的軌跡是有規(guī)律的，那就可以按導(dǎo)彈飛行的速度算出移動目標的攻擊點，對嗎？”

“這就對啦！襲擊移動的地面目標，跟攔截對方發(fā)射的導(dǎo)彈，道理是一樣的，只有當攻擊的火力與被攻擊的目標在三維空間能交會在一起，襲擊才能成功?！?/p>

“這些移動目標怎么發(fā)現(xiàn)呢？”

“你在電視中看到過那些機身上頂著一把‘大傘’的預(yù)警飛機嗎？那‘大傘’就是機載雷達的天線?！衬L暴’展開以后，在伊拉克的上空1.2萬米處巡航的預(yù)警飛機E-3A多達6架，這些E-3A監(jiān)視著伊拉克的固定軍事目標和移動軍事目標，收集和整理最新的軍事信息，并將優(yōu)先攻擊目標的三維坐標或軌跡傳遞給地面的指揮中心加以選擇，所以，這些E-3A實際上是設(shè)在高空的前線指揮所。也可以這樣理解，現(xiàn)代化的戰(zhàn)爭，實際上打的是一場信息戰(zhàn)。”

“爺爺，有些軍事觀察家不是提出，射程最遠可達1000千米的巡航導(dǎo)彈不是也挺厲害嗎？難道巡航導(dǎo)彈也離不開三維坐標嗎？”

“‘戰(zhàn)斧’巡航導(dǎo)彈是噴氣發(fā)動機推進的，實際上是一架帶彈頭的無人駕駛飛機，更離不開三維坐標啦。首先，得有攜帶‘戰(zhàn)斧’導(dǎo)彈的戰(zhàn)列艦發(fā)射點的三維坐標，然后要提供待打擊目標的三維目標，有了這些最基本的數(shù)據(jù)才能算出兩點間的矢量關(guān)系，也就是導(dǎo)彈的飛行方向和發(fā)射距離。然后電子地圖才能提供沿線陸地的地形剖面，讓雷達導(dǎo)航系統(tǒng)可以引領(lǐng)導(dǎo)彈作超低空的蛇形飛行，以免被對方的雷達發(fā)現(xiàn)，并將飛行中的地形剖面圖數(shù)據(jù)與電子地圖中的地形數(shù)據(jù)不斷比較，來修正飛行的航線。到了接近目標時，巡航導(dǎo)彈的數(shù)字識別系統(tǒng)DSMAC中的攝像機將目標附近的圖像數(shù)據(jù)和電子地圖的圖像數(shù)據(jù)由計算機進行識別比較，確保攻擊的目標無誤。你看看，這‘戰(zhàn)斧’巡航導(dǎo)彈的發(fā)射，從頭到尾能離得開測繪數(shù)據(jù)的支持嗎？說得通俗一點，就是要解決3個問題，攻擊的目標是什么？攻擊的目標在哪里？目標周圍是什么？為了將這些元素輸入微機，一個程序員需要一周的時間，特殊情況下，還要由間諜攜帶數(shù)字相機拍攝某些建筑物及其附近的相片提供識別。”

“看來巡航導(dǎo)彈發(fā)射前的準備工作挺復(fù)雜！”

“再說陸軍，無論是坦克兵或裝甲兵，一到沙漠里就得暈頭轉(zhuǎn)向，這時，GPS就派上用場啦，有了GPS，很快就測出了到達地點的三維坐標，不但可以向?qū)Ψ竭M行遠程的打擊，自己也不會迷失方向啦。所以呀，你這回該明白啦，這次軍事研討會的結(jié)論是什么？”

“看來，現(xiàn)在戰(zhàn)爭中，測繪兵種最重要！”

“確切地說，信息戰(zhàn)是交戰(zhàn)雙方勝負的重要因素，難怪現(xiàn)在有些軍事演習變成了雙方互相利用計算機進行模擬作戰(zhàn)，這已經(jīng)不同于冷兵器時代，現(xiàn)代戰(zhàn)爭可以決勝于千里之外?！?/p>

P碼和C/A碼

這場軍事觀察家的辯論，吊起了小J對GPS的濃厚興趣，他急于想知道測量三維坐標的奧秘，耐著性子等待爺爺?shù)慕忉專K于，在一個周末的晚上，他纏著爺爺來揭開謎底。

爺爺終于開口了：“這GPS能正常運轉(zhuǎn)，離不開3個部分，首先，是太空中的導(dǎo)航衛(wèi)星，這些衛(wèi)星必須均勻分布；其次，要布置地面監(jiān)控網(wǎng)，時刻監(jiān)測導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道參數(shù)；最后是要有GPS的接收機，能夠接收衛(wèi)星的電文，并選擇四顆衛(wèi)星組成最好的定位星座，計算出三維坐標?！?/p>

“看來，最重要的是發(fā)射導(dǎo)航衛(wèi)星，沒有這些衛(wèi)星，什么都免談，這個我能理解，可是天上的導(dǎo)航衛(wèi)星究竟有多少呢？”

“按照GPS聯(lián)合計劃辦公室的最初設(shè)計，衛(wèi)星需要24顆，分布在3個軌道平面上，每個軌道平面分布8顆衛(wèi)星，這樣，在地球上任何位置，能同時收到6～9顆衛(wèi)星的信號，從中選擇4顆衛(wèi)星組成最佳星座來定位。可是，在1978年，由于壓縮國防預(yù)算，減少對GPS計劃的撥款，于是修改計劃，將24顆衛(wèi)星壓縮到18顆，而這些衛(wèi)星分布在6個軌道平面上，軌道平面之間的夾角為60度，每個軌道平面分布3顆衛(wèi)星，彼此間隔相等，相距120度，這項計劃的實施分3個階段。從1973年至1979年為第一階段，主要是設(shè)計論證和分析測試，這一階段發(fā)射了4顆衛(wèi)星，分布在2個軌道平面上。此時，精密測地系統(tǒng)也研究成功。從1986年開始，轉(zhuǎn)入全面實施階段，由航天飛機發(fā)射全部導(dǎo)航衛(wèi)星，但中途由于‘挑戰(zhàn)者’號航天飛機失事，使計劃一度延期。截至2004年11月19日，已發(fā)射30顆工作衛(wèi)星，分布在6個軌道平面（編號A～F）上，每個軌道平面內(nèi)分布至少4顆衛(wèi)星，衛(wèi)星的運行軌道接近圓形，而且沿赤道以60度間隔均勻分布，相對于赤道面的傾斜角為55度，軌道高度為20200千米，軌道半徑大致為26600千米。這樣，在地球的任何位置，至少能選擇4顆衛(wèi)星定位，最多時，能有12顆衛(wèi)星提供選擇。”

“這些衛(wèi)星有多大呀？”

“這些衛(wèi)星是由洛克韋爾國際公司的空間部研制的，重量有774千克，是鋁蜂巢結(jié)構(gòu)的圓柱形，直徑1.5米，兩側(cè)裝有兩塊雙葉對日定向太陽能電池帆板，展開后長5.33米，總面積5平方米，這就是衛(wèi)星的能源，初期功率為580瓦，形體底部有多波束的天線陣，能發(fā)射L1和L2波段信號，波束方向圖能覆蓋半個地球，為了控制飛行姿態(tài)和修正軌道，衛(wèi)星上裝有姿態(tài)控制系統(tǒng)。在衛(wèi)星的電子系統(tǒng)中，包括導(dǎo)航電文存儲器，高穩(wěn)定度的原子鐘和L波段雙頻發(fā)射機等。原子鐘最初是銣鐘，后改進為銫原子鐘和氫原子鐘，高穩(wěn)定性保證了定位的高精度?！?/p>

“這第一部分是太空中的導(dǎo)航衛(wèi)星，第二部分該是地面監(jiān)控網(wǎng)了?！?/p>

“這些導(dǎo)航衛(wèi)星總得要嚴密監(jiān)控才不會出現(xiàn)差錯，所以，地面監(jiān)控網(wǎng)的任務(wù)也不輕，整個系統(tǒng)隨著時間的推移在不斷完善，目前整個監(jiān)控網(wǎng)包括6個監(jiān)控站、1個主控站、4個注入站。這些站分布在美國本土及三大洋中的美國基地，互相之間分工是很明確的。監(jiān)控站是數(shù)據(jù)采集中心，由雙頻（L1/ L2）GPS接收機來采集，而接收機天線的相位中心位置早已精確測定，是已知的，監(jiān)控站對每顆出現(xiàn)在視界內(nèi)的衛(wèi)星進行連續(xù)觀測，并將數(shù)據(jù)傳送到主控站。主控站是監(jiān)控網(wǎng)的中心，根據(jù)各監(jiān)控站發(fā)送來的跟蹤觀測數(shù)據(jù)，計算各衛(wèi)星的軌道參數(shù)、鐘差參數(shù)以及大氣層的修正參數(shù)，用以更新主控站的精密卡爾曼濾波器對每顆衛(wèi)星位置、速度和時間的統(tǒng)計估計值。這些更新后的導(dǎo)航電文再由主控站發(fā)向各注入站，由注入站注入相應(yīng)衛(wèi)星的存儲器?！?/p>

“每天都要往各個衛(wèi)星注入新的導(dǎo)航電文嗎？”

“是呀，每天對各個衛(wèi)星注入3～4次，這些注入站能主動向主控站發(fā)射信號，每分鐘報告一次本站的工作狀態(tài)?！?/p>

“爺爺，萬一有些衛(wèi)星出現(xiàn)故障怎么辦？”

“主控站發(fā)現(xiàn)以后，可以啟動備用衛(wèi)星，來代替出現(xiàn)故障的衛(wèi)星，只要保證有21顆衛(wèi)星處于正常狀態(tài)就行?！?/p>

“怪不得GPS系統(tǒng)能精密地定位，這有許多技術(shù)措施來提供保障。我想，這第三部分GPS接收機肯定是五花八門，品種繁多?！?/p>

“確實是這樣。GPS接收機可以分成天線和接收兩個單元，天線單元一定要置于待觀測點的中心位置，而接收單元可以安置在方便的地方，兩個單元之間可以用電纜連接，也可以將兩個單元組裝成整機。天線單元由全向接收天線和前置放大器組成，以便接收任何方向的GPS信號，將電磁波能量轉(zhuǎn)化為變化規(guī)律相同的電流信號，并將微弱的信號放大，通過接收單元的信號通道送入微處理器，進行數(shù)據(jù)處理。而決定測地精度和速度的，主要是微處理器的內(nèi)置軟件和另外配置的應(yīng)用軟件。GPS對民用開放以后，GPS接收機也就商品化了，根據(jù)用途不同，其大小及精度差異也就懸殊了。例如，應(yīng)用在飛行器上的高動態(tài)接收機屬于X型接收機，而安裝在船舶或機動車上的，可以選用Y型中動態(tài)接收機或Z型低動態(tài)接收機。按數(shù)據(jù)形式分類的有單頻接收機及雙頻接收機。按電子器件分類的，有模擬接收機、數(shù)字接收機和混合接收機等。按用途分類，又有導(dǎo)航接收機、測時接收機和測地接收機等，大型的相當于筆記本計算機，小型的跟移動電話差不多，微型的接收機像手表，可以戴在手腕上。”

“爺爺，這就方便多啦。要是中小學(xué)生都能配上這種手表式的GPS接收機，那家長在家中就知道孩子們是否離開了教室，走在哪條街上，用不著天天去學(xué)校接送啦?！?/p>

爺爺笑著說：“這在不久的將來肯定不成問題，可見GPS接收機的用途太廣泛啦！”

“看來，最關(guān)鍵的是GPS導(dǎo)航電文，這是導(dǎo)航衛(wèi)星向用戶提供的信息，這里面的主要內(nèi)容到底是什么？”

“導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星的工作狀態(tài)、從C/A碼轉(zhuǎn)換到P碼所需的時間同步信息、時鐘校正信息、星歷表參數(shù)、全部衛(wèi)星的日程表和專用電文，這些信息以每秒50比特（bit）數(shù)據(jù)流形式調(diào)制在載波信號上。”

“爺爺，C/A碼和P碼有什么區(qū)別？”

“GPS信號具有兩種編碼，C/ A碼是粗碼，鐘頻率為1.023兆赫茲；P碼是精密碼，鐘頻率為10.23兆赫茲。每顆衛(wèi)星所產(chǎn)生的C/A碼和P碼都有各自唯一的編碼結(jié)構(gòu)，在衛(wèi)星之間是各自獨立的，相關(guān)值很小，這就使接收機可以加以識別?！?/p>

“那全球的用戶都可以根據(jù)需要選擇使用C/A碼或P碼，豈不是軍用或民用沒有區(qū)別啦？”

“限制的辦法總會有的，如果地面控制系統(tǒng)啟動衛(wèi)星中的AS（反欺騙）模式，SPS（標準定位服務(wù)）用戶便不能使用P碼（精密碼）。當AS啟動后，P碼便被加密構(gòu)成所謂的Y碼，Y碼與P碼有相同的基碼速率，所以，往往將精密碼記為P（Y）碼。AS能使SPS用戶不能接入P（Y）碼，從而使用戶不能精密定位。另外，AS加密的顫動頻率的影響，使C/A碼和P（Y）碼都受到影響，而通過L1和L2載波頻率傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流產(chǎn)生SA誤差，PPS（精密定位服務(wù)）用戶能夠消除SA誤差，但SPS用戶就無法消除SA誤差。最主要的是，SA在衛(wèi)星播送的星歷、歷書及數(shù)據(jù)中加進一個保密的偏移值，這偏移誤差就帶進所有SPS用戶的定位結(jié)果中?！?/p>

“對付這種偏移誤差有什么方法？”

“那就是無碼GPS測地系統(tǒng)。”

“‘無碼GPS測地系統(tǒng)’？挺新鮮！”

“還記得嗎？以前給你介紹過‘甚長基線干涉法’，簡稱VLBI，這種測量方式，接收的信號來自銀河系以外，十分微弱，需要10米以上的巨型拋物面天線和穩(wěn)定性極高的原子頻標，雖然測量距離遠達數(shù)千千米時精度可達到厘米級，而由于設(shè)備的原因，使這種測量技術(shù)的應(yīng)用受到限制。但是，隨著人造衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，特別是GPS導(dǎo)航衛(wèi)星的出現(xiàn)，使干涉法測量技術(shù)的應(yīng)用有了新的轉(zhuǎn)機，因為GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，可以當成人造的射電源，這種信號要比河外源信號強105倍，因此，很小的天線就可以接收到衛(wèi)星信號，這就派生出了衛(wèi)星源射電干涉測地系統(tǒng)（VLBI/GPS）。這個測地系統(tǒng)的優(yōu)越性是，僅需知道衛(wèi)星的概略軌道參數(shù)，而不必知道P碼的編碼結(jié)構(gòu)，就可以求得點位的三維坐標?！?/p>

“爺爺，這就解決了P碼的保密難題，對嗎？”

“不錯！這套技術(shù)就稱為無碼GPS測地系統(tǒng)?！?/p>

“現(xiàn)在也有無碼的GPS接收機嗎？”

“當然有，美國麻省理工學(xué)院Counselman等人與Macrometric公司合作，研制出大地定位儀Macrometer V-1000，另外ISTAC公司的Model2002型定位儀，還有Series-X等，都是采用無碼方式進行定位的GPS接收機。”

“爺爺，我能不能這樣理解，這類無碼方式的GPS接收機是防止一旦P碼被控制系統(tǒng)啟動AS模式以后，仍然可以精密定位的儀器，使用最普遍的GPS接收機仍然是使用C/ A或P碼的GPS接收機，對嗎？”

“那是當然啰！不然，專門發(fā)射導(dǎo)航衛(wèi)星為了什么？所以，絕大部分都是有碼的GPS接收機?！?/p>

“爺爺以前介紹過，經(jīng)典大地測量中三角網(wǎng)的觀測量是水平角和垂直角，導(dǎo)線測量的觀測量是邊長和折角，攝影測量的觀測量是相片坐標，這些都是看得見摸得著的，好理解。那GPS的觀測量是什么？”

“GPS的觀測量是從衛(wèi)星信號獲得的，這樣吧，我先給你介紹一下C/A碼和P碼的偽距觀測量。上面介紹過了，偽距觀測量有粗碼（C/A碼）偽距觀測量和精碼（P碼）偽距觀測量兩種?！?/p>

“爺爺，為啥叫‘偽距’呀？”

“衛(wèi)星信號是由衛(wèi)星鐘控制的，本地偽隨機碼由本地時鐘控制，當兩個時鐘完全同步時，就可以求出衛(wèi)星信號傳播到地面接收機的時延量。但因為存在鐘差，另外傳播路徑介質(zhì)的各種影響，所測量的時延代表的距離并不是衛(wèi)星到接收機的真實距離，專業(yè)術(shù)語就稱為偽距觀測量?；蛘?，你可以理解為不是衛(wèi)星到接收機的真實距離，所以，在衛(wèi)星信號到達接收機的時間里要加上本地鐘偏改正數(shù)，再乘以光速，才是衛(wèi)星至接收機的真實距離。這就是GPS接收機測量至衛(wèi)星距離的特點，與雷達測距及地面電磁波測距是不同的，其差別在于，前者測量電磁波傳輸時間是單向的，必須采用不同的時鐘；而后者是測量電磁波往返的時間，只需同一計時器就可以了?！?/p>

“爺爺，我聽懂了，就是說，在每個衛(wèi)星測距的方程式中，多了一個未知數(shù)，那就是地面接收機鐘偏的改正數(shù)。”

“對啦。有了接收機至衛(wèi)星的距離，就好比是地面的后方交會法，可以根據(jù)衛(wèi)星的坐標交會出接收機的坐標。在立體解析幾何中已經(jīng)給出了兩點距離與兩點三維坐標的關(guān)系式，那就是兩點間距離的平方等于兩點間三維坐標增量的平方和。有了這層關(guān)系就好辦了，每顆衛(wèi)星在發(fā)出信號的瞬間，其空間位置是已知的，所以，按每一顆衛(wèi)星建立的觀測方程式中，接收機的位置就成了3個未知數(shù)，那就是接收機的三維坐標，再加上接收機的鐘偏改正數(shù)，每個偽距觀測方程式中就含4個未知數(shù)。你想想，要解算4個未知數(shù)，這方程組一共需要多少個觀測方程式？”

小J脫口而出：“當然得4個方程式?！?/p>

“所以，要解算4個未知數(shù)，至少得要4個方程式。因此，得觀測4顆導(dǎo)航衛(wèi)星才能求出4個未知數(shù)。這就是為什么采用偽距法時，至少要接收4顆衛(wèi)星信號的原因，懂嗎？”

“原來是這樣！”小J恍然大悟。

“當然，在GPS接收機里，已經(jīng)配置好必要的軟件，一般的數(shù)值處理不需要人工介入，但工作原理是應(yīng)該搞清楚的。上面介紹的是C/A碼和P碼偽距觀測量?！?/p>

小J追問一句：“從GPS衛(wèi)星信號中，還可以獲得哪些觀測量？”

爺爺說：“有C/A碼和P碼的副載波鐘頻相位觀測量；多普勒觀測量；載波相位觀測量；信號比特觀測量。這些觀測量還可以另行組合成新的組合觀測量。”

“這些觀測量是供設(shè)計GPS接收機時加以選擇的，對嗎？”

“對呀，由于用戶的多樣性，所以GPS接收機的型號必須是多樣化的。譬如，裝在殲擊機上的GPS接收機，要求能接受多個重力加速度時還能保持性能正常，而用于測繪的GPS接收機沒有必要考慮這種動態(tài)的因素；遠程導(dǎo)航用的GPS接收機得考慮航路及支路轉(zhuǎn)折點的存儲能力；是否需要便攜式，在勘察中，每件儀器的重量都成為選擇時考慮的因素?！?/p>

說到這里，爺爺把平時積累的GPS接收機樣本從書柜中找出來，有重點地向小J做了介紹，加上以前在媒體上見到的實物，小J對GPS全球定位系統(tǒng)的印象就更加深刻了。

巡航在蒼穹的盾牌

最近一段時間，小J的腦海里塞滿了有關(guān)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的知識，他意識到，這跟經(jīng)典的定位技術(shù)差別太大了，大到一個是在地面，另一個是在天上。也就是說，過去的經(jīng)典定位技術(shù)是將三維分開的，平面大地測量主要是測量地球上的平面點位，也就是縱坐標（X）及橫坐標（Y），或者說是經(jīng)度和緯度。而三維中的另一維Z，是高程系統(tǒng)，那是采用幾何水準的方法，從沿海逐漸向內(nèi)陸腹地傳遞的。這些大地控制點，都是固定在地表上的，要想測定新的點位，得分別從平面控制系統(tǒng)和高程控制系統(tǒng)中分別引測，而引測還要受到地形類別、通視條件等各種自然因素的制約。測定一個新的點位，多費勁呀！現(xiàn)在倒好，有了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)以后，一切都變了，地面上的控制點，不論是平面的還是高程的，已經(jīng)失去了往昔的風騷，卻被在蒼穹間高速飛行的20多顆導(dǎo)航衛(wèi)星給取代了。瞧瞧，這些導(dǎo)航衛(wèi)星多神氣呀！別看來去匆匆，可身上全帶著密電碼，只要它高興開放，任憑是誰，只要拿著雙頻GPS接收機，往需要測定點位的地方一放，立馬就知道了具體位置，而且是三維的坐標：X、Y、Z，多神哪！話又說回來了，這玩意兒好是好，可導(dǎo)航衛(wèi)星上帶的密電碼萬一不開放呢？精密定位就全完了，刀把在人家手里攥著呢，人家給啥就是啥。

一想到這兒，小J免不了嘟囔一句：“討厭的AS模式！”

他想起了爺爺常掛在嘴邊上的那句話：“有矛就有盾。”

可是，對付GPS這支矛的盾牌又在哪兒呢？

小J正想找個機會向爺爺討教，沒承想，有一天晚飯后，爺爺遞給他一份晚報，在翻開的那版上，用不太醒目的版面登著一條新華社消息，標題是《北斗導(dǎo)航衛(wèi)星順利升空》。報道內(nèi)容提到，在2007年4月14日4時11分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用‘長征3甲’運載火箭，成功將一顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星送入太空。中國有關(guān)部門負責人14日在此間表示，在未來幾年里，中國將陸續(xù)發(fā)射系列北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，計劃2008年左右滿足中國及周邊地區(qū)用戶對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的需求，并進行系統(tǒng)組網(wǎng)和試驗，逐步擴展為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

“爺爺，這是第一顆導(dǎo)航衛(wèi)星嗎？”

“已經(jīng)是第五顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星了。在2007年2月3日，‘北斗4’升空。而在2000年到2003年間，已發(fā)射了3顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。這次升空的‘北斗5’，標志著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)，已經(jīng)進入第二階段?！?/p>

“為什么稱‘北斗’呢？”

“我們以前在談?wù)搶嵱锰煳膶W(xué)的時候，不是特別提到北斗七星嗎？尤其是那顆斗柄末梢的亮星——北極星，按照中國古代的理念，是天的中心，也就是說，天體是圍繞北極星旋轉(zhuǎn)的。其實北極星也在旋轉(zhuǎn)，不過旋轉(zhuǎn)的速度，用肉眼是覺察不出來的，這是在經(jīng)典測量中測定緯度和天文方位角時應(yīng)用最普遍的一顆星，也就是說，憑著北極星，在茫茫的黑夜里，會為我們指引方向，就像人們在追求理想一樣，永恒的北極星融入我們心中，成為神圣的代名詞。這就是中國人對北斗七星特別偏愛的原因。既然是導(dǎo)航用的，用‘北斗’來命名這個系統(tǒng)不是挺好嗎？”

“這北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有哪些特點呢？”

“最顯著的特點就是導(dǎo)航衛(wèi)星采用靜止軌道（GEO）和非靜止軌道（MEO）相結(jié)合的方式?！?/p>

“爺爺，什么叫靜止軌道呀？”

“靜止軌道就是利用赤道上空圓形軌道建立的，將導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射到赤道上空35786千米處以每秒3075米的速度飛行。這樣，在赤道上空飛行一周正好需要23時56分，跟地球自轉(zhuǎn)的時間相同，所以，衛(wèi)星跟地球是同步旋轉(zhuǎn)。從地球表面往上看，導(dǎo)航衛(wèi)星像是靜止不動似的。在試驗階段，第二顆衛(wèi)星與第一顆衛(wèi)星在赤道上相隔60度，因此又叫雙星定位，而第三顆衛(wèi)星是備用衛(wèi)星，這三顆衛(wèi)星組成了世界上第一代區(qū)域性的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，稱為‘北斗一號’，定位只需靠靜止軌道上的兩顆導(dǎo)航衛(wèi)星即可。但這種定位只能提供待定點的經(jīng)度和緯度，所以，還需要結(jié)合非靜止軌道上運行的導(dǎo)航衛(wèi)星，才能測出三維坐標?！?/p>

“我明白了，這非靜止軌道的導(dǎo)航衛(wèi)星類似GPS導(dǎo)航衛(wèi)星那樣，在地面上跟蹤觀察，能看出衛(wèi)星是移動的，對嗎？”

“對呀！非靜止軌道又稱中圓軌道，飛行高度為21500千米，最近升空的北斗M1，就是非靜止軌道運行的導(dǎo)航衛(wèi)星?！?/p>

“如果需要讓北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)突破區(qū)域的范圍，成為全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，那北斗導(dǎo)航衛(wèi)星也得覆蓋全球，是這樣嗎？”

“完全正確！按我國的計劃，在非靜止軌道上運行的導(dǎo)航衛(wèi)星將達到30顆，即從M1～M30，而靜止軌道上的導(dǎo)航衛(wèi)星也要增加。”

“在赤道上空得布置幾顆呢？”

“在靜止軌道上運行的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星得5顆，編號從G1～G5?！?/p>

“除了運行軌道與GPS有所不同以外，別的還有改進嗎？”

“有呀！這套全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，我國具有獨立知識產(chǎn)權(quán)，不受制于任何人，其功能除了定位和授時外，還有通信功能，除了用戶與中心控制系統(tǒng)可以互相用數(shù)字報文聯(lián)絡(luò)以外，用戶與用戶之間也可以實現(xiàn)雙向數(shù)字報文通信，這一點對移動用戶很重要，這些移動用戶除了可以隨時獲得三維坐標以外，還可以將其位置反饋給控制中心或其他終端，每次傳送的信息可達100多個漢字?！?/p>

“這通信功能對于GPS來說是沒有的?！?/p>

“難怪最新一期的《簡氏防務(wù)周刊》發(fā)表文章指出，中國的北斗系統(tǒng)對美國的GPS系統(tǒng)構(gòu)成了挑戰(zhàn)，美國壟斷衛(wèi)星導(dǎo)航高科技的時代即將結(jié)束?！?/p>

“爺爺，在北斗導(dǎo)航系統(tǒng)集成以前，我們是不是還得拄著美國GPS這根拐杖？”

“可以這樣認為。其實，我們一直租用的是美國GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中非軍事領(lǐng)域的應(yīng)用部分，只有美國才享有最精確的定位信號，而出租給別國的GPS衛(wèi)星信號中都加入干擾信號，所以，定位的結(jié)果中只能做到大概準確。要想不受制于人，除非自己擁有，這道理是最簡單不過的了。”

“那現(xiàn)今世界上，除了我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)外，還有別的導(dǎo)航系統(tǒng)嗎？”

“有呀！蘇聯(lián)就有‘格羅納斯（GLONASS）’全球定位系統(tǒng)，在冷戰(zhàn)時代，蘇聯(lián)和美國在太空領(lǐng)域的競爭非常激烈，首次完成人類宇宙航行的是加加林，那是蘇聯(lián)的宇航員。蘇聯(lián)從20世紀70年代開始建立衛(wèi)星定位系統(tǒng)。蘇聯(lián)解體后，由俄羅斯聯(lián)邦政府空間局管理，到1993年啟用，主要用于軍事目的?！窳_納斯’也是由衛(wèi)星星座、地面監(jiān)測控制網(wǎng)和用戶設(shè)備3部分組成，衛(wèi)星24顆，高度是19100千米，軌道周期是11小時15分，由3條軌道組成，軌道傾角64.8度，每條軌道有8顆衛(wèi)星。但俄羅斯一度由于經(jīng)費困難未及時發(fā)射更替衛(wèi)星，使衛(wèi)星數(shù)量逐漸減少，隨著經(jīng)濟的復(fù)蘇，才得到恢復(fù)?！?/p>

“這‘格羅納斯’跟GPS的差別在哪里？”

“差別在于衛(wèi)星星座的設(shè)計、信號載波頻率和衛(wèi)星的識別方法有所不同?！?/p>

“這套‘格羅納斯’什么時候才能恢復(fù)使用呢？”

“目前在軌衛(wèi)星剩下21顆，在軌衛(wèi)星達到24顆時，可以發(fā)揮全部能力，這套系統(tǒng)那時候?qū)⒊蔀檐娒駜捎孟到y(tǒng)，也可以對國際合作組織開放。并且將在GLONASS-M衛(wèi)星上，除L1及L2頻率外，增加L3頻率，用以提高用戶定位精度。除了俄羅斯之外，歐洲正在推進‘伽利略（Galileo）’計劃?！?/p>

“在GPS的計劃中，美國不是吸收了北約組織的成員共同參加設(shè)計的嘛！為啥歐洲還要再搞一套呢？”

“這是一套為民間用戶服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)！”

“這倒挺有意思！”小J不由得贊賞起來。

“在2005年3月9日，中國國家遙感中心與中國國家伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航有限公司（CGI）在北京簽署了關(guān)于執(zhí)行‘合作協(xié)議’的總承包協(xié)議，目前中國的有關(guān)機構(gòu)已啟動了歐盟伽利略計劃的有關(guān)研究開發(fā)項目共14項，內(nèi)容涉及空間段、地面段和用戶接收機等。歐盟在2005年12月發(fā)射了第一顆伽利略在軌測試導(dǎo)航衛(wèi)星之后，將在今后繼續(xù)發(fā)射導(dǎo)航衛(wèi)星?！?/p>

“經(jīng)爺爺這么解釋，我看美國的GPS獨霸全球的日子已經(jīng)不長啦！”

“本來嘛，GPS是因為軍事用途先搞起來的，必須清醒地認識到，這原本是一支鋒利的矛！”

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)還能為我們做點啥

關(guān)于GPS是一支鋒利的矛，這一點小J在開始聽到這個詞時就注意到了，但開放為民用以后，GPS立了不少汗馬功勞。如今，天上的導(dǎo)航衛(wèi)星不光是美國貨了，想用密電碼來限制民用單位或別國的用戶這一招也不靈啦，現(xiàn)在使小J急于了解的是，不論哪種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，除了軍事用途外，還能為老百姓做點什么服務(wù)呢？

爺爺早就從小J的眼神里明白孫子的心思了，但要想讓小J滿足好奇心，得有大塊的時間，要不然，胃口吊起來以后就不好收場了。

這大塊的時間，自然是周末的晚上。跟往常不一樣的是，這回是爺爺主動招呼小J：“過來吧，你不是想聽聽這全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)在民用方面還能發(fā)揮什么作用嗎？告訴你，這作用大著呢，首先，就是改變了傳統(tǒng)大地測量的方法。”

“爺爺不是早就說過，咱們國家的大地測量平面基本控制網(wǎng)早已布設(shè)完畢，已經(jīng)建立了1954年北京坐標系和1980年西安坐標系，這全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)不就成為馬后炮啦？”

“沒過時，這全球定位系統(tǒng)，在測量地面點的三維坐標時，有個特點，就是不受起始控制點的誤差影響，瞧，決定測站點坐標的，就是天上飛的那幾顆導(dǎo)航衛(wèi)星，對地面任何測站點所傳播的都是每顆衛(wèi)星上同樣的信號，所以，每次接收機測出的三維坐標都是獨立的，雖然測站點上由于觀測時間長短有別，觀測時，能收到信號的衛(wèi)星與測站點幾何形狀有所不同，測量結(jié)果也會有微小的差異，但這些誤差都是獨立的。不像三角網(wǎng)，網(wǎng)中的邊長是由直接丈量的起始邊按三角形逐個傳遞過來的，你想呀，離起始邊近的三角形邊長，誤差相對小些，傳遞越遠，累計下來的誤差就越大，三角鎖或三角網(wǎng)中部的邊長，精度就弱，根據(jù)邊長傳遞過來的平面坐標X及Y，跟著要受到影響。這跟用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)測定的三維坐標當然無法相比，所以，自從有了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)以后，不少大、中城市都用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)來重新建立城市控制網(wǎng)。而國家已經(jīng)用空間觀測技術(shù)建立起一個新的大地控制網(wǎng)，這個大地控制網(wǎng)稱為2000國家GPS大地控制網(wǎng)，并且已經(jīng)完成了全國天文大地網(wǎng)與2000國家GPS大地控制網(wǎng)的聯(lián)合平差工作。這樣一來，新的坐標系誕生了，稱為2000中國大地坐標系（簡稱為CCCS2000）。”

“爺爺，我這是第一次聽說，能不能給我介紹得詳細一點？”

“CCCS2000屬于地心坐標系?！?/p>

“那以前我們的1954年北京坐標系和1980年西安坐標系不屬于地心坐標系嗎？”

“當然不是?！?/p>

“那屬于什么坐標系呢？”

“屬于參心坐標系。參心坐標系的原點與某一地區(qū)或某一國家采用的參考橢球的中心重合。X軸（橢球旋轉(zhuǎn)軸）與地球自轉(zhuǎn)軸平行，X軸在參考橢球的赤道面，并平行于天文起始子午面?！?/p>

“這參考橢球的有關(guān)數(shù)據(jù)爺爺早就介紹過了。”

“各國過去按經(jīng)典大地測量建立的基本控制網(wǎng)都屬于參心坐標系，可自從有了空間觀測技術(shù)以后，發(fā)達國家已改用地心坐標系，我國周邊的許多國家也開始采用地心坐標系。所以，采用地心坐標系是勢在必行，使用起來也比較方便?！?/p>

“照字面理解，這地心坐標系就是以地球中心作為坐標系的原點，對嗎？”

“地心坐標系要滿足下面4個條件，原點是包括海洋和大氣的整個地球質(zhì)心；尺度為在引力相對論意義下的局部地球框架內(nèi)的尺度；定向的初始值由1984.0時BIH定向給定，而定向的時間演化保證相對地殼不產(chǎn)生殘余的全球旋轉(zhuǎn)；長度單位為引力相對意義下局部地球框架中的‘米’。CCCS2000的參考歷元為2000.0，CCCS2000所采用的參考橢球以a（赤道半徑）、J2（動態(tài)形狀因子）、GM（地心引力常數(shù)）和ω（地球自轉(zhuǎn)角速度）等4個基本參數(shù)定義?！?/p>

“爺爺，我不明白剛才提到的‘BIH’指的是什么？”

“那是國際時間局（Bureau International de I’Heure）的縮寫詞。”

“這地心坐標系聽起來有點難，爺爺能不能再講得通俗點？”

“從幾何方面可以這樣理解，地心坐標系的原點位置在地球的質(zhì)心，Z軸和X軸的定向由某一歷元的地球定向參數(shù)確定。Y 與X、Z構(gòu)成空間右手直角坐標系。地心大地坐標系的原點與總地球橢球中心（即地球質(zhì)心）重合，橢球旋轉(zhuǎn)軸與協(xié)議地極重合，起始大地子午面與零子午面重合。”

爺爺連說帶用右手比劃，這回小J算是摸著一點要領(lǐng)了。

“那新的2000國家GPS大地控制網(wǎng)的精度怎么樣呢？”

“維持CCCS2000坐標系的骨干是連續(xù)運行的GPS參考站，這些骨干點的坐標精度是毫米級，速度精度可以達到±1毫米/年。而CCCS2000的框架由2000國家GPS大地控制網(wǎng)點構(gòu)成，包括約2600個三維大地控制點，這些點的點位精度約為±3厘米。而由國務(wù)院測繪行政主管部門和軍事測繪主管部門分別實施完成的全國天文大地網(wǎng)5萬點，構(gòu)成了CCCS2000框架的加密網(wǎng)點，其三維點位誤差約為±0.3米?！?/p>

“這套新的地心坐標系如果開始使用，會影響舊測繪資料的改動，各部門會支持嗎？”

“這變化最明顯的要數(shù)三維坐標中的第三維大地高，而過去國家法定的高程系統(tǒng)是正常高，這肯定有矛盾，這種矛盾只有在法規(guī)和技術(shù)層次進行合理地解決。但大地基準現(xiàn)代化是中國經(jīng)濟走向世界，面向全球這一改革開放的大勢所趨，也是使中國科技和國防走向現(xiàn)代化，做好‘數(shù)字中國’地理空間框架的基礎(chǔ)。也就是說，大地測量的現(xiàn)代化要做到：高精度，要覆蓋全部陸海領(lǐng)土，采用三維坐標，反映動態(tài)。這4項很重要，要反映出時態(tài)，必須提供相應(yīng)的時間變率?！?/p>

“爺爺，為什么要加進時間的概念？”

“因為事物是發(fā)展的，不可能一成不變，你瞧，守時系統(tǒng)是由時鐘實現(xiàn)的，而長度度量系統(tǒng)是由標準尺來實現(xiàn)的，所以，如何來選擇時鐘和標準尺就顯得特別重要了，選擇不當，就會對客觀事物的描述產(chǎn)生歪曲。目前，守時系統(tǒng)由原子鐘來實現(xiàn)，其穩(wěn)定程度可以達到10-16。而標準尺則一直采用儲存在巴黎法國度量局的標準量桿。可是，無論是采用原子鐘計時，還是采用標準量桿去測量空間長度，都不能保證全部是穩(wěn)定的。就拿標準量桿來說，本身的刻劃會隨時間的演變而產(chǎn)生變化。這樣一來，標準量桿就不標準了。同樣，如果原子本身隨時間而演變，就不能保證由原子鐘所得到的時間不產(chǎn)生變化，因為原子鐘的守時是依據(jù)原子的能級躍遷來實現(xiàn)的。所以，需要定義理想的標準時間和理想的標準量桿，讓其具有絕對性，不依賴于任何物質(zhì)的運動形式或人的主觀意志，這就是牛頓的絕對時空觀。可是，任何事件的發(fā)生，必在空間與時間中進行。所以，空間和時間構(gòu)成了描述一切事物的基礎(chǔ)。但是，大家聽慣了的‘時間’概念和‘空間’概念可不那么簡單?！?/p>

“為什么？”

“著名科學(xué)家牛頓在1686年曾指出：‘絕對的、真實的和數(shù)學(xué)的時間，自身均勻地流逝，與一切外在的事物無關(guān)，又名延續(xù)；相對的、表象的和普通的時間是可感知及外在的（不論是精確的或是不均勻的）對運動延續(xù)的度量，它常被用以代替真實時間，如一小時、一天、一個月、一年?！?/p>

“那牛頓對空間是怎樣定義的呢？”

“牛頓對空間的定義是：‘絕對空間，其自身特性與一切外在事物無關(guān)，處處均勻，永不移動；相對空間是一些可以在絕對空間中運動的結(jié)構(gòu)，或是對絕對空間的度量，人們通過它與物體的相對位置感知它?！鶕?jù)牛頓的定義推論，理想的時鐘和量桿與參考系的選取無關(guān)，不依賴于參考系而變。這是經(jīng)典的理論。”

“既然時間那么重要，那原子鐘算不算時間的標準呢？”

“這得從時間基準說起。最早選用的時間基準就是以地球相對于太陽的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的，稱為世界時。就是說，太陽連續(xù)兩次通過地球表面某一定點的經(jīng)線所需的時間為一天，這叫‘真太陽日’，真太陽日的1/86400就是真太陽日的‘秒’。由于地球公轉(zhuǎn)的速度不均勻等原因，一年中真太陽日長短差的最大值達5.1秒，既然真太陽日的長短有變化，時間就很難準確了，所以，‘真太陽日’作為時間標準是有缺陷的。后來，天文學(xué)家在1886年提出用‘平太陽日’的概念來定義時間。平太陽日是假設(shè)該天體在黃道上移動的速度是均勻的，而把平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過同一子午線的時間間隔稱為一個平太陽日，這平太陽日的1/86400成為平太陽日的‘秒’。這雖然要比真太陽日穩(wěn)定多了，但由于地球在自轉(zhuǎn)的過程中受潮汐和其他力學(xué)因素的影響，自轉(zhuǎn)的速度仍有微小的波動，這波動使時間單位每三年約差1秒。經(jīng)過長期的天文觀測，產(chǎn)生了運行更均勻的‘歷書時’。1952年國際天文協(xié)會第八屆大會決議：在天文年歷中采用以地球繞太陽的公轉(zhuǎn)周期為基準的計時系統(tǒng)‘歷書時’，因此，國際計量委員會做出如下決定：‘秒為1900年1月0日歷書時12時起算的回歸年的1/31556925.9747?！@樣一來，秒的精度提高到10-9，相當于每30年差±1秒。到了1953年，世界上第一臺原子鐘誕生在美國哥倫比亞大學(xué)，其原理是利用原子從某種能態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N能態(tài)時所輻射或吸收的電磁波的頻率作為標準來計量時間的，于是，在1958年建立了‘原子時’。因此，計量部門就得表態(tài)了，在1967年第十三屆國際計量大會決定以零磁場狀態(tài)下銫（133Cs）原子基態(tài)兩個超精細結(jié)構(gòu)能級之間的躍遷頻率作為國際通用頻率標準，定義與它相應(yīng)的電磁波持續(xù)9192631770個周期的時間為1秒，這就是‘原子秒’?，F(xiàn)在全球已統(tǒng)一采用原子時標，從1967年以后，時間基準的名稱應(yīng)該由主要時鐘來代替，這指的是實驗室的大銫鐘。美國國家標準局和加拿大國家研究院的大銫鐘，其準確度已達到10-14量級?！?/p>

“爺爺，我國的時間基準能達到哪個數(shù)量級？”

“我國計量院的銫鐘CsⅡ及CsⅢ能達到10-13量級，屬于國際先進水平。陜西天文臺為國內(nèi)標準的授時中心，由該臺發(fā)出的長波及短波電磁波，不僅為電臺、電視臺提供標準時間及頻率，而且也為我國運載火箭、核潛艇、遠程導(dǎo)彈等提供高精度的時間頻率信號，這都是‘原子時’時間?！?/p>

“這么說，原子鐘是目前世界上最準確的時間基準啦？”

“科學(xué)的發(fā)展是永無止境的，比大銫鐘的準確度更高的‘原子噴泉光頻’正在研制階段，這種‘噴泉鐘’如果能克服原子運動引起的多普勒效應(yīng)和碰撞效應(yīng)，就會將時間頻率基準提高到一個新水平，并會引發(fā)新一輪的實驗來驗證物理上的基本常量。我國計量科學(xué)院于2003年研究成功NIM4#激光冷卻銫原子噴泉鐘，這為新一代的時間基準開辟了一條新路。”

“看來，在新的科技時代，時間基準的重要性是越來越明確了?！?/p>

“是呀，時間是第四維?！?/p>

“時間還有個傳輸?shù)膯栴}，哪種傳播方法精度最高呢？”

“一般是采用因特網(wǎng)和電話線傳播時間，這種方法的時間精度是50毫秒～1秒，頻率精度對因特網(wǎng)來說是2×10-7，而對電話線來說，就是6×10-8，低頻無線電的頻率精度可以達到1×10-11，但都不如GPS系統(tǒng)的精度高，利用GPS系統(tǒng)進行時間和頻率服務(wù)時，GPS單向法可使頻率精度達到2×10-14，GPS共視法可達到1×10-15，而GPS載波相位法的頻率精度也可達到1×10-15，目前，國際上推薦的傳輸方法是GPS雙向法?！?/p>

“怪不得GPS除了提供測定三維坐標的服務(wù)以外，還可以提供時間服務(wù)，這就是剛才說的第四維?！?/p>

“哈哈，這就說到點子上啦，應(yīng)該把利用GPS測量的三維坐標看成是該歷元的t時間獲得的三維值。要記住，世界萬物都處在不停的運動中，所以，人們的認識要適應(yīng)這個客觀的存在?！?/p>

“那爺爺提到的我國大地測量參數(shù)也會改變啰?！?/p>

“這倒是個熱門問題，國際上近年來對大地測量基本常數(shù)（a、GM、J2、ω）一直在討論兩個問題：第一個問題是《大地參考系統(tǒng)1980（簡稱GRS80）》的4個大地測量基本常數(shù)的數(shù)值要不要改變？第二個問題是究竟選擇哪4個參數(shù)作為大地測量的基本常數(shù)？這兩個問題在2003年8月國際大地測量學(xué)會（IAG）日本札幌會議期間，多數(shù)學(xué)者傾向于仍以GRS80所選擇的4個參數(shù)作為大地測量的基本常數(shù)，并且這4個參數(shù)的數(shù)值仍保持不變。但由于空間技術(shù)近年的發(fā)展，需要對4個參數(shù)的數(shù)值加以精化?！?/p>

“這些常數(shù)如果要精化，那數(shù)據(jù)的位數(shù)肯定得增加了。”

于是，爺爺找出一本專著，指著其中的一張大地測量參數(shù)的數(shù)據(jù)表給小J看，小J趕緊將表的內(nèi)容抄錄在自己的筆記本中。其中，“西安80系”是我國目前民用坐標系所采用的大地測量基本常數(shù)值；“GRS80”是國際上采用的“大地測量參考系統(tǒng)1980”；“WGS84”是GPS定位時采用的“世界大地測量系統(tǒng)1984”；而“建議采用數(shù)值”是今后我國在地心坐標系中擬采用的數(shù)值。表中1/f是橢球的扁率。下表就是小J抄錄的那張“大地測量基本常數(shù)表”。

大地測量基本常數(shù)

其實，爺爺講的GPS改變了傳統(tǒng)的大地測量方法，不僅可以提供民用，更主要的是軍事用途，而且，在軍事領(lǐng)域提供的三維坐標更精確。傳統(tǒng)的大地測量方法是從確定已知點和待定點相對幾何關(guān)系入手，逐點傳遞二維坐標，即平面位置X及Y，第三維的確定是另外一種方法，從海平面逐步將高程傳遞到內(nèi)陸腹地，而GPS一下子就可測出地球上任意點的三維坐標，在用接收機測量點位時，完全是獨立的，誤差不會互相傳播，更不會積累，不僅方便，而且精度高。所以，地理信息系統(tǒng)用地心坐標系的三維坐標來定位，優(yōu)點是顯而易見的。既然發(fā)達國家已普遍采用地心坐標系，我國采用地心坐標系也是指日可待的事。聽完了爺爺?shù)慕榻B后，小J對GPS在大地測量方面的應(yīng)用有了比較清楚的印象，他仿佛跟著爺爺在蹚測繪技術(shù)近代的發(fā)展道路。聽到這個份上，小J對測繪科學(xué)技術(shù)的認識，既感到深奧莫測，又覺得這門科學(xué)技術(shù)是那樣的貼近老百姓的日常生活。從遙控“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈的地理信息到植入手表內(nèi)的GPS芯片，誰能說GPS單單是熱兵器中鋒利無比的“矛”呢？小J直到后來才明白，GPS還有第四維，因為GPS可以授時。就像接觸到了萬花筒，在眼花繚亂的情況下，小J還急于知道GPS在民用方面更廣泛的用途。他忽然想起了西陵峽中新灘古鎮(zhèn)滑坡的災(zāi)難預(yù)報，當時是用經(jīng)典的大地測量方法來監(jiān)測地表的地質(zhì)變化的，如果那時能用上GPS來監(jiān)測，不是更迅速嗎？他便帶著這個問題請教爺爺。

爺爺解釋說：“在災(zāi)難預(yù)報方面，不僅僅可以監(jiān)測斷層等局部范圍的地質(zhì)構(gòu)造變化，使滑坡、泥石流、地震、海嘯等災(zāi)難的預(yù)報更準確，GPS還可以用來監(jiān)測地殼運動。由此還形成了一門新興的邊緣學(xué)科‘大地測量地球動力學(xué)’?！?/p>

小J好奇地問：“這門邊緣學(xué)科牽扯到哪些學(xué)科呢？”

“當然，牽頭的是大地測量學(xué)，這是基礎(chǔ)，還有地球物理學(xué)、天文學(xué)和地質(zhì)學(xué)。你看，天上地下，全揉在一門新學(xué)科里了?！?/p>

“主要研究什么？”

“這門邊緣學(xué)科是利用近代涌現(xiàn)出來的空間大地測量方法，包括甚長基線干涉測量（VLBI）、激光測衛(wèi)（SLR）、衛(wèi)星測高、全球定位系統(tǒng)（GPS）等方法，精確測定地球表面點的幾何位置、地球重力場元素、地球自轉(zhuǎn)軸在空間的位置和方向以及上述各參數(shù)隨時間的變化，從動力學(xué)的觀點研究地球諸參數(shù)的動態(tài)變化及地球內(nèi)部地球物理現(xiàn)象和地震機制?？纯?，要研究這些內(nèi)容，都得以空間大地測量提供的四維數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，也就是在觀測時間瞬間獲得的點位三維坐標?！?/p>

“看來，在空間大地測量的幾種方法中，還是GPS最靈活、最經(jīng)濟?！?/p>

“對啦！這幾種方法的精度都已經(jīng)達到10-8，在幾千千米距離上測量誤差僅是厘米級，但VLBI及SLR（包括激光測月技術(shù)LLR），設(shè)備的體積龐大，造價昂貴，不如GPS方便，而GPS機動性又好，不僅是全天候的，而且連世界第三極的測量都用得上。所以，GPS的優(yōu)點是不言而喻的。”

“爺爺，這門新興的邊緣學(xué)科的研究，在我國有啥新的動態(tài)？”

“我國建立了地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)，從1998年至2004年，27個基準站GPS連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，55個基本站7期觀測數(shù)據(jù)和近1000個區(qū)域站3期觀測數(shù)據(jù)，給出了我國大陸現(xiàn)今地殼運動速度場的最新觀測結(jié)果，已經(jīng)發(fā)表在《科學(xué)通報》2005年第二期的論文《中國大陸現(xiàn)今地殼運動速度場的最新觀測結(jié)果》之中。論文按照中國大陸地質(zhì)構(gòu)造情況，將中國大陸劃分成不規(guī)則的曲線網(wǎng)格，利用高精度GPS網(wǎng)平差得到的GPS速度、地震矩張量和活動斷層滑動速率，研究分析了天文大地網(wǎng)與GPS2000網(wǎng)聯(lián)合平差中是否需要對天文大地網(wǎng)地面觀測值進行形變改正問題；還利用中國大陸以及蒙古、緬甸、印度、尼泊爾和喜馬拉雅等周邊地區(qū)多年的GPS觀測資料，給出了中國大陸整體水平位移速度，擬合精度優(yōu)于3毫米/年，獲得了中國大陸的水平應(yīng)變率場，并分析了中國大陸現(xiàn)今構(gòu)造變形、水平應(yīng)變率場的空間分布特征。還結(jié)合絕對重力測量結(jié)果分析了中國沿海海岸在歐洲框架下的水平運動及在全球框架下的垂直運動特征。綜合利用GPS及VLBI技術(shù)，還可對地學(xué)板塊運動模型進行驗證。”

“驗證的結(jié)果怎么樣？”

“通過解算北美、歐亞、太平洋等12板塊之間的相對運動歐拉矢量，得到了實測的板塊運動模型與地學(xué)板塊運動模型大體上一致，其中，極位置與地學(xué)板塊模型的相應(yīng)極比較接近，旋轉(zhuǎn)速度略微偏大，顯示澳大利亞板塊在最近幾年內(nèi)是穩(wěn)定的，太平洋板塊與其余板塊的極位置與地學(xué)模型較接近，這表明多種技術(shù)的組合數(shù)據(jù)提高了板塊運動模型建立的準確性與可靠性?！?/p>

“爺爺，我聽懂了。就是說，應(yīng)用空間大地測量技術(shù)，人們對地球運動規(guī)律的認識又深化了一步，測量數(shù)據(jù)不僅使板塊學(xué)說有了依據(jù)，而且會使理論上的研究更接近實際，在不斷升華的過程中，我們對共同生活的星球，認識會更全面，是這樣嗎？”

“對！還有一點，那就是大地水準面的精化課題。你已經(jīng)知道，利用GPS接收機，可以測出點位的三維坐標，這第三維就是高程，這高程是指橢球體的高程h，與大地水準正高N和高程H的關(guān)系為：h = N + H，這樣，如果已知其中的兩項，就可以求得第三項。因此，在陸地上，我們可以利用GPS的觀測數(shù)據(jù)和經(jīng)典大地測量的水準資料來精化大地水準面?！?/p>

“精化大地水準面有什么實用價值呢？”

“除了對進一步認識地球具有理論價值外，實用方面也別小瞧。你已經(jīng)知道，在陸地上按經(jīng)典大地測量要引測一個點的高程有多么難。坡度陡峭的山地，幾何水準上不去，只有靠三角高程，而用GPS接收機就不受地形條件的限制，只要人能到達的地方，就可以測出高程，大地水準面精化以后，GPS測高，有可能代替低等級的水準測量。例如，青島市的大地水準面精化以后，用GPS測高，精度可以達到±2厘米，因此對測繪資料密集的大城市來說，大地水準面精化的質(zhì)量會更高一些。資料較稀疏的地方，可以按省或地區(qū)逐步精化，工作總是越做越細嘛?！?/p>

“爺爺，我能不能這樣理解，精化大地水準面的質(zhì)量越高，用GPS測高的精度就越高，對嗎？”

“這就說到點子上啦！我國已經(jīng)公布了19座名山的高程，今后還將陸續(xù)公布名山的高程，現(xiàn)在，空間大地測量的方法中，GPS越來越顯示出頑強的生命力，今后可用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)不光是美國的GPS，還有俄國的‘格羅納斯’定位系統(tǒng)，歐洲的‘伽利略’衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，更主要的是我國的‘北斗’衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，空間大地測量方法逐步取代傳統(tǒng)的大地測量方法，必將引起質(zhì)的變化，除了軍事上的功能外，在民用方面，用途越來越廣泛?！?/p>

“可不！在領(lǐng)航正規(guī)的測圖航線時，只需將每條航線的起點及終點坐標輸入高速的導(dǎo)航用GPS接收機，起飛后，接收機就會引領(lǐng)飛行器在攝區(qū)正常攝影。接收機的顯示屏會標出航線及飛機移動的軌跡。更有用的是，高速公路和高速鐵路的建設(shè)，離不了航攝相片，可攝影航線上有很多折角，過去目測領(lǐng)航時最費勁，因為有些轉(zhuǎn)折點上沒有明顯的地標，很難找，返工率特別高?，F(xiàn)在不用愁啦，只要將轉(zhuǎn)折點的坐標輸入GPS接收機，領(lǐng)航就簡單多了，GPS接收機會引導(dǎo)飛行員輕巧地飛臨轉(zhuǎn)折點的上空?！?/p>

“我知道，過去遠洋航行靠慣性導(dǎo)航，現(xiàn)在用上GPS就方便了。”

“航海用的GPS接收機與航空用的GPS接收機是不一樣的，因為艦船的速度不太快，但使用的方法基本上是相同的，別看大海中海水一望無際，但海水下面有暗礁，所以海上航線也必須事先設(shè)計好，這些航線轉(zhuǎn)折點的坐標同樣可以輸入導(dǎo)航接收機的微處理器，這樣，艦船起航后，可以根據(jù)航行的軌跡隨時修正航向。最主要的是，現(xiàn)在沿海各國在領(lǐng)海、海灣及近海專屬經(jīng)濟開發(fā)區(qū)發(fā)現(xiàn)含油構(gòu)造，為了在海上勘探及采油，這都涉及定位及放樣的測繪工程，過去都是比較困難的任務(wù)，有了空間大地測量技術(shù)，用GPS等導(dǎo)航系統(tǒng)就很方便。別小看這放樣，在陸地上算不了什么，可在大海中就不容易?！?/p>

“什么叫放樣呀？”

“要想蓋大廈，在圖紙上畫出圖樣來，如若要將圖樣變成建筑，首先得把房基拐角在地面上定下來，這才可以破土動工。將圖紙上的房基拐角的坐標在地上測出來，這測量的過程在工程上叫放樣?！?/p>

“那我懂了?！?/p>

“在陸地上放樣，先要找一個已知坐標及高程的控制點，然后將第一個需要放樣的點算出坐標方位角及邊長，用全站儀來測出第一個放樣點，其余的點按次序逐個放出去就行了。到了海上呢？頭頂?shù)氖谴箦伾w一樣的藍天，剩下的，轉(zhuǎn)圈都是深藍色的海水，連個參照物都沒有。過去，近海用羅蘭-C（Loran-C）系統(tǒng)、Argo系統(tǒng)和子午儀定位系統(tǒng)可以滿足綜合海洋地質(zhì)地球物理勘探在普查和詳查方面的定位要求，到了精查階段，應(yīng)用于地震勘探時，要求定位精度在1～5米，這時用微波段的高精度定位系統(tǒng)和子午定位系統(tǒng)多次觀測才能達到精度要求，如今改用GPS就很方便。而鉆井平臺的放樣，要求定位精度優(yōu)于0.1～1米，最難的是對鉆井重新啟用作為石油生產(chǎn)的平臺，此時的定位精度很苛刻，要達到厘米級才行，這對于雙頻GPS接收機來說，自然并不困難。這全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，為海洋資源開發(fā)的騰飛，增添了新的翅膀。”

“爺爺，要是在海洋上建立大地控制網(wǎng)，豈不是對海上航行、海底資源勘探、海洋研究更方便啦？”

“對呀！有了海洋大地控制網(wǎng)，海洋定位和大地水準面的測量就更方便、更準確了。但海洋的面積那么大，沿海國家只能先從陸地發(fā)展到近海和專屬經(jīng)濟區(qū)做起，再逐步向遠洋擴展。通過國際合作，將各國的海洋控制網(wǎng)合并成一個整體，那是人類對賴以生存的星球義不容辭的貢獻！”

“那海上的控制點建在哪兒呢？”

“首先要選擇海洋中的島嶼或暗礁建立控制點，也可以將控制點建在海底。”

“海底怎么建呢？”

“在海底埋設(shè)測量標志以后，再安置水聲應(yīng)答器，用聲音來宣告海底控制點的存在。既然用GPS來布設(shè)大地控制網(wǎng)，可以不必考慮通視條件和圖形條件的限制，布網(wǎng)比較自由，困難的是在海底建立控制點標志?！?/p>

“爺爺，在海底費那么大勁建立控制點標志，用處大嗎？”

“那當然，對于水下潛水艇導(dǎo)航，用處太大啦！另外，可以檢測海底的地殼運動；還可作為海底地形圖控制點；當海底有工程建設(shè)時，可用來精確定位；還有，當發(fā)生海難時，可以利用這些控制點協(xié)助進行搜索、打撈及營救。你看看，這作用還小嗎？”

“我原以為，到了茫茫的大海中間，要想確定艦船的位置多么不容易，在500多年前，許多航海家都在探索定位的方法，那幾乎成了航海中的核心課題。如今，有了GPS，導(dǎo)航成了輕松的工作。另一方面，利用海洋中的大地控制網(wǎng)，要想在一望無際的洋面上找到需要的位置，也成為一件輕而易舉的事。從此，航海不再是一件神秘莫測的事?？梢哉f，有了GPS，汪洋大海任我行，太方便了?！?/p>

爺爺笑著點點頭。