在太空中,GPS到底有沒有用呢?
先、GPS是什么?
GPS(Global Positioning System)定位系統(tǒng)始于20世紀(jì)70年代由美國陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) 。其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實(shí)時、 全天候和性的導(dǎo)航服務(wù),并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應(yīng)急通訊等一些軍事目的,是美國獨(dú)霸戰(zhàn)略的重要組成。理論上,24顆GPS衛(wèi)星在離地面2萬公里的高空上,以約12小時的周期環(huán)繞地球運(yùn)行,使得在任意時刻,在地面上的任意一點(diǎn)(98%)都可以同時觀測到4顆以上的衛(wèi)星。這樣根據(jù)三維空間定位原理,就足夠?qū)崿F(xiàn)定位(4顆衛(wèi)星構(gòu)建四個方程組解決四個未知數(shù):三維坐標(biāo)和接收機(jī)鐘差信息)。后來經(jīng)過擴(kuò)展,它的衛(wèi)星數(shù)穩(wěn)定在32顆左右,它們分布在6個平面上,軌道傾角為55度,達(dá)到zui優(yōu)設(shè)計。由于衛(wèi)星的壽命長短不一,美國每年都會發(fā)射一些衛(wèi)星更新這個系統(tǒng)。
GPS信號包括兩種,一種是普通民用碼,所有的接收機(jī)都能用;另一種是軍碼,不用解釋了,除了美國和它的盟友,其他人不要想了。這兩個精度差多少,百倍左右,你的手機(jī)和車載導(dǎo)航軟件里,用的就是普通民碼,所以你的精度是定到某條街上。
第二、GPS定位在近地空間能干什么?
它的應(yīng)用實(shí)在太廣泛了,因為它是一種無源定位系統(tǒng)。簡而言之的原理就是只要你有一個接收機(jī),能接收到它的信號(低于它的軌道高度,20200千米左右,GPS信號都是指向地球發(fā)射的),從理論上講可以容納個接收機(jī)工作,任何一個接收機(jī)如果有至少四顆衛(wèi)星信息就可以定位。所以它的應(yīng)用可謂從天到地,題主關(guān)心的太空,在低軌空間是完全沒有任何問題的!
低軌(軌道高度<1000千米)是應(yīng)用zui廣泛的太空領(lǐng)域,人類的地球觀測衛(wèi)星(各種資源衛(wèi)星、科學(xué)研究衛(wèi)星比如重力、磁場、洋流、幾乎所有的間諜衛(wèi)星)都處在這個高度范圍內(nèi),用這個是妥妥的。大致的低軌衛(wèi)星定位原理是什么呢?
大概意思是為了確定低軌衛(wèi)星的軌道:你要有一個高大上的星載GPS接收機(jī)(沒有幾個搞得到),很多星上輔助儀器數(shù)據(jù)(星敏感器、加速度計等等),加上對地球進(jìn)行各種復(fù)雜動力學(xué)建模(重力場、海洋潮汐、太陽光壓、地球固體潮、地球大氣潮、三體引力等等),加上工程實(shí)踐的各種算法中補(bǔ)償措施,再加上工程實(shí)踐的經(jīng)驗?zāi)P停?/span>zui后可以算出低軌衛(wèi)星的軌道,然后打個激光檢驗一下就知道自己算的精度啦。這應(yīng)該就是題主說的太空應(yīng)用,也是GPS在太空的大多數(shù)應(yīng)用。
第三、這個應(yīng)用的精度有多高?
目前的科研進(jìn)展是,給單個衛(wèi)星定軌道的精度是實(shí)時30厘米/事后定位2厘米左右,這是個什么概念呢?低軌衛(wèi)星的飛行速度在7000m/s以上,地面上的聲速的20倍以上,zui快飛行子彈(狙擊步槍)速度的7倍以上,2厘米的精度是不是很震撼?而且是連續(xù)定位,每時每刻都能有很的軌道,要知道這些低軌衛(wèi)星離GPS可是2萬公里以上的!
遠(yuǎn)不止如此,對于編隊飛行的衛(wèi)星,可以形成獨(dú)特的雙差基線,GPS輔助編隊衛(wèi)星的定位精度會大大提高,達(dá)到0.5毫米級別(用星上單向的高頻精度為微米級的雷達(dá)檢驗),這個記錄目前就是我們組保持的。這是個什么概念,如果讓兩只蚊子共同跳一個華爾茲,一只蚊子在荷蘭都阿姆斯特丹,另一只蚊子在法國都巴黎,這個精度足夠幫它們校正同步動作了。下面是歐洲和美國zui近幾個任務(wù)做出的結(jié)果(來自我的科研課題)。
這些精度能滿足什么呢?所有類型低軌衛(wèi)星的軌道確定,軌道轉(zhuǎn)移機(jī)動,空間交會對接,人類所有的載人航天任務(wù)都可以用到,而且GPS帶來的精度提高是質(zhì)變!但很不幸,這些所有的應(yīng)用必須基于軍碼,民碼根本不可能!
第四、這個的意義是什么?
軌道的意義自然不用說,所有的對地觀測儀器都需要知道它們的位置才能反推并應(yīng)用它們的數(shù)據(jù),否則同樣一組數(shù)據(jù),你弄不清楚測的到底是北京的還是天津的,還有什么意義?GPS的出現(xiàn),大提高了人類的低軌衛(wèi)星定軌精度,直接往厘米級別沖。
科學(xué)應(yīng)用,舉一個zui簡單的例子,GPS定位的重力衛(wèi)星因為本身軌道精度大大提高,反向把地球重力場模型精度提高了100倍以上。
軍事戰(zhàn)略應(yīng)用,呵呵,美國這么多間諜衛(wèi)星,動輒拿出嚇?biāo)廊说牡孛娣直媛剩芸辞遘嚺颇芸辞逡桓銦煛T噯栆痪洌x了上面的軌道可能做到么?
軍事戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用,要知道那是給低軌衛(wèi)星用,就已經(jīng)達(dá)到了厘米級精度,如果給導(dǎo)彈、戰(zhàn)車、單兵、飛機(jī)全部都裝上會有什么?事實(shí)上,目前美國基本所有的武器,凡是有導(dǎo)航要求(需要知道自己位置)的,全部都裝了GPS。那些夸張精度、戰(zhàn)斗力驚人的導(dǎo)彈和炸彈,都有GPS在給出它們位置幫助制導(dǎo)校正,保駕護(hù)航。看這個MK-82激光/GPS制導(dǎo)炸彈,GPS天線妥妥的在上面。
第五、既然GPS是無源定位,理論容量,我們?yōu)樯哆€搞北斗?
1、美帝不會給你接收機(jī)的,因為GPS是美國軍方搞得也是軍方控制的,所有的核心芯片只有美國人能做出來且其嚴(yán)格保密。所以民用的,拿出來賺錢;軍用的,包括低軌衛(wèi)星上用的,再見,呵呵!即便是歐洲,上面提到的衛(wèi)星上用的GPS接收機(jī),基本都來自美國航空航天局的噴氣推進(jìn)實(shí)驗室,壟斷。咱們就只能想著了。。。
2、控制方是大爺,GPS在建成后放開民用市場時有一個selective availability政策,什么意思呢?他們?nèi)斯そo所有的民用碼加了巨大的噪聲,導(dǎo)致你定位不準(zhǔn)。后來俄羅斯的格洛納斯競爭日趨猛烈,美國一激動2000年5月2日取消了,變化有多大,然后格洛納斯就木有希望了。
同樣的道理,對美國而言,我哪天心情不好了,除了美國的軍用接收機(jī),能輕輕松松讓全的所有民用和非正當(dāng)渠道搞來的所謂“軍用接收機(jī)”全瞎!所以你如果用了GPS在你們的武器里作為導(dǎo)航(比如像大家的車一樣裝GPS導(dǎo)航儀),美國大兵表示:呵呵呵呵,有本事過來打我啊!
3、如果只是失效還就算了。還有一個可怕的,是釋放干擾信號,反正GPS信號都是美帝的工程師做的,一旦有應(yīng)用,我釋放一個假的信號源,一模一樣的信號結(jié)構(gòu),只是不同的信息內(nèi)容但強(qiáng)度大很多。那你所有的武器、衛(wèi)星接收到的都是假的位置信息,發(fā)生什么,你自己發(fā)的導(dǎo)彈走成什么漂亮的漂移弧線,你能預(yù)測么?也許在你面前就是一朵燦爛的煙火了……
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