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    导航卫星:太空中的“指路灯”

    2017-12-11 10:09:43 来源: 科普中国
    聊聊

    测绘网讯 在日常生活中,人们出门越来越离不开导航,面对四通八达的交通网络,只要打开导航系统就不会迷路。你知道导航系统是如何工作吗?人类又是如何通过人造卫星来观察地面上的人与汽车呢?卫星导航(Satellite navigation)是指采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位的技术。常见的GPS导航,北斗星导航等均为卫星导航。

    导航卫星是如何指路的

    古时候,人类依靠太阳、月球、北极星等星体来辨别方向,后来又发明了罗盘和指南针。直到20世纪,人类才发明了电信标,从此踏上了海洋船舶与航空器导航的新征程。

    1957年10月4日,世界上第一颗人造卫星由前苏联发射成功,之后美国科学家在跟踪它的过程中发现了多普勒效应,他们认识到:通过卫星所测量到的多普勒频移,能够确定卫星的运行轨迹,而知道了卫星的轨迹,就可以反推出接收机所在的位置。这一科学发现帮助人类建立高精度、全天候的卫星导航定位系统。

    很多人一想到导航系统,脑海中立即会出现“GPS”这三个字母,“GPS”开创了卫星导航的先河,因此被人们认为是卫星导航系统的代名词。那么,究竟什么是卫星导航系统呢?它又是如何给人类指路的?

    卫星导航系统主要由三个部分组成,它们分别是用户定位设备、地面台站和导航卫星。我们以“GPS”为例来说明卫星定位系统的基本原理:“GPS”由32颗中高轨道卫星组成,它们均匀地公布在距离地面约20200千米的6个倾斜轨道上,以12小时的周期环绕地球运行。它们与地面台站组成网络,每隔1~3秒就会向全球用户播报信息,让地球上任何地方的用户都能够在任何时间接收到至少4颗卫星信号。

    这些信号能够给用户提供最精确、最新的定位,其精度甚至可以达到5米以内。

    “GPS”导航系统

    人造卫星如何“看清”地面上的人和汽车

    人类都渴望自己能够拥有“千里眼”和“顺风耳”,现代遥感卫星的出现帮助人类实现了这个梦想。遥感卫星在距离地球成百上千米的太空,仍然能够“看清”地面上的人和汽车,这是为什么呢?因为卫星上安装了高分辨率相机和各种遥感设备,它们就是卫星的“千里眼”。

    卫星上安装的可见光学遥感相机,与平常生活中见到的相机没有本质上的区别,不过焦距却达到了几米到十几米,通光口径也很大,主镜头的直径有1米。只是加大镜头会受到材料及制造工艺的限制,为了解决这个问题,科学家又研制出了用电荷耦合器件模拟合成孔径的相机,得到的数据由计算机来处理,能够将多张数码照片叠加得到高清图像。

    人造卫星在天上,如何才能拍出质量较好的照片呢?最重要的因素就是光照条件。光学遥感卫星要在有最佳日照时拍照,最佳轨道是高度在300~900千米之间的圆形太阳同步轨道。在这样的轨道之上,卫星距离地面的高度不变,而且卫星经过的所有区域都是白天最佳的光照时刻。良好的光照条件为拍照高质量照片打好了基础。

    当然,虽然这些光学成像卫星都拥有“千里眼”,不过也有它们看不到的区域,比如处于阴暗处的被测目标,或者被云、雾、伪装物遮挡等等。由于光照条件不佳,甚至没有光照,卫星上的可见光相机就看不到了。

    真正能够无所不见的是多光谱遥感和微波遥感技术,它们才是真正的“千里眼”。一台多光谱探测器既能够监测全球的气候变化,又能够对汽车进行精细的观测。(测绘网 小会)

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