导航卫星指路的奥秘究竟是什么？

1960年4月13日，美国发射成功世界上第一颗导航卫星——子午仪IB号。那么，为什么导航卫星能够指路呢？

我们的日常生活离不开导航，一出门，眼睛就在为我们导航，它和脑海里记忆的地图一起匹配来指路。出远门怎么办呢？古人最初依靠太阳、北极星等天体来辨别方向，后来依靠指南针和罗盘。进入20世纪后，无线电信标的问世，开创了海洋船舶和航空器导航的新篇章。

1957年10月4日，苏联发射了第一颗人造地球卫星。此后，美国科学家在跟踪它的过程中，观察到了多普勒效应：卫星飞向地面接收机时，收到的信号频率升高；而飞离时，频率就降低。一高一低之差就是频率的偏移，简称频移。他们认识到，卫星的运行轨迹可以由卫星通过时所测得的多普勒频移来确定。知道了卫星的轨迹，就能够反推出接收机所在的位置。正是由于这一有趣而科学的发现，揭开了人类利用人造卫星进行高精度、全天候导航定位的新纪元。

现在大家提起导航，脑海中就会浮现“GPS”这三个字母。其实GPS（Global Positioning System的缩写）是由美国军方建造的全球定位系统，由于先入为主的关系，人们常把它当作卫星导航系统的代名词。那什么是卫星导航系统呢？

卫星导航系统由三部分组成，分别是导航卫星、地面台站和用户定位设备。我们以GPS为例，来说明卫星定位的基本原理。

GPS由32颗中高轨道卫星组成，它们均匀地分布在距离地面约20200千米的6个倾斜轨道上，以12小时为周期环绕地球运行。这些卫星与地面台站组成网络，每隔1～3秒向全球用户播报信息，使地球上任何地方的用户在任何时候均可以利用接收机同时接收到至少4颗卫星的信号。

为何要接收4颗卫星的信号？按照初等几何学原理：若一个点与另一个（固定的）已知点P的距离是一个常值R时，则这个点一定位于以点P为球心，R为半径的球面上。由于卫星的位置精确可知，可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，求解观测点的位置（经度、纬度和高度分别以X、Y、Z来表示）。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和时钟偏差，因而需要引入第4颗卫星，建立4个方程式进行求解。接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。GPS最新的实际定位精度已经达到5米以内。