回顧全球定位系統發展:恆星導航技術仍不過時

　　轟炸機上有一個天體觀測窗，通過這個觀測窗，導航員們可以對恆星進行觀測來進行定位。

美國陸軍航空隊B-17,B-24和 B-29轟炸機使用的mark II星象羅盤。

AGM-128A「獵犬」防區外飛彈使用KS-140天文追蹤系統。

圖為早期的GPS全球定位系統衛星(1981年)。

　　戰略空軍司令部FB-111A戰機使用Litton公司研製的 ASQ-119天文追蹤系統來改進其慣性系統的精確度。

　　無論是在茫茫大海上航行，抑或是在藍天白雲間穿梭，時刻能夠正確確認自身所處的位置，是平安到達目的地的基本要求。一直以來，現代海軍和空軍都在面臨著一個重大的挑戰，那就是遠距離導航。當代的全球導航衛星系統(GNSS)，如全球定位系統(GPS)，儘管其投資規模非常之大，但仍然存在不盡如人意的地方，因為它在骨子裡還保留有古代留傳下來的導航技術，即恆星導航技術。

　　最早的恆星導航活動需要的是良好的視力，關於各個星座的知識和許多的運氣成份。

　　人類很早就知道如何以太陽或星辰來判斷緯度，然而，經度的判定卻一直是個難題。在劇烈晃動且溫度、溼度皆變化無常的海上，要保持計時裝置的正常運作是一件非常困難的事情。18世紀中期，約翰·哈裡森發明了現代意義上的計時器，這種精確時鐘的出現使這一情況發生了徹底改變。以熱補償型螺旋彈簧作為計時標記，這一計時裝置設計思想在當今時代仍然被廣泛應用。

　　所有高精度的恆星導航都要依賴於一份精確的星曆資料，這是一份以表格形式存在的恆星資料，它能描述在某一時刻某一顆恆星相對於地球的準確位置。除了星曆資料以外，恆星導航還需要一個精確的計時工具和一種能夠精確測量恆星和其他天體方位角的設備。因此，定位的準確程度依賴於星曆資料、角度測量設備和計時裝置的準確性。恆星導航技術和設備的發展到目前為止其主要的工作一直就是圍繞如何提高測量精度而進行的。

　　無線電導航出現於二十世紀30年代末，成熟於二十世紀40年代，最初應用於飛機著陸系統，後來應用於炸彈投擲。無線電導航的魅力體現在它不受天氣的影響，即使在天空多雲的時候也可以使用，這是一個非常好的優點，特別是相對於靠儀器導航來進行的飛行來說。雲朵能夠擋住星星本來就十分微弱的光輝，妨礙恆星導航技術設備的使用。陸基無線電導航的缺點是它們的有效使用範圍被限制在無線電發送器周圍的有限空間，只有在視距或近似視距範圍內才有可能實現高精度的定位。因此，恆星導航在今天仍然在使用。

　　軍用飛機上使用的第一代恆星導航系統，包括一名經過專門訓練、勝任導航工作的導航員，一個六分儀，一份星曆資料和一個計時裝置。在飛機上進行觀察會受到滑流的影響，為了克服這一問題，人們在飛機上設計了一個天體觀測窗，它是一個半球形的透明玻璃的圓頂護罩，位於導航員的上方位置，可以極大地方便星象羅盤的使用，同時不會受到滑流的影響。英國皇家空軍的「哈利法克斯」(Halifax)、「蘭開斯特」(Lancaster)轟炸機，美國的B-17, B-24 、B-29重型轟炸機，由於它們在執行作戰任務中都需要依賴導航進行長途跋涉，因此天體觀測窗成為了它們機體上一個十分獨特的部分。以B-24系列轟炸機為例，機上安裝有一個A-1微型手持天體照相儀，它讓導航員即使在黑暗當中也能看清楚星曆資料圖表。此外，B-24系列轟炸機上還裝有Mk II型手持星象羅盤，帶有方位和赤緯刻度的圓頂護罩水準儀，使用之前可以進行校準，以方便角度的測量。導航員可以藉助這些設備來對某一顆已知的恆星進行角度測量。

　　知道了兩顆或者更多恆星在某一特定時間的準確方位和仰角後，根據星曆資料就可以進行準確的定位。當然，在顛簸的轟炸機上，要獲得精確的測量那還需要一定的特殊方法。隨著轟炸機的發動機由活塞發動機向渦輪噴氣發動機的轉變，飛機的巡航速度得到了大幅度的提升，作戰高度也大大提高，對計時精確性的要求也就相應提高。對工作在這種飛機上的導航員來說，要想靠近並利用天體觀測窗進行測量變得比以往更加困難。這就導致了第一代模擬電子自動星象羅盤的產生，例如戰略空軍的B-52C/D/E/F/G 系列飛機裝備的柯爾斯曼儀表公司(Kollsman Instruments)生產的MD-1天文羅盤，就是其中的一種。這種模擬電子自動星象羅盤用一個伺服驅動萬向節、一個模擬計算機和一個光電倍增管來代替人眼進行觀測和角度測量。這種羅盤設計複雜並且維護困難，但它實現了用自動化設備對導航員的工作替代。

　　對B-52轟炸機來說，它肩負核打擊任務，需要飛越北極地區，它需要星象羅盤這樣的硬體設備來為其提供精確的長途導航。B-52轟炸機運載的北美公司(NAA)生產的射程為500英裡的AGM-28A 「獵犬」防區外飛彈，也使用這樣一個天文導航系統，那就是柯爾斯曼儀表公司生產的KS-140，它可以為慣性自動飛行提供信息更新。後來的B-52H轟炸機和RC-135電子偵察機上安裝有AN/AJN-11型自動天文羅盤機，再後來康維爾（Convair）飛機公司生產的戰略空軍司令部(SAC) B-58 「Hustler」型轟炸機，安裝有柯爾斯曼公司生產的KS-39天文導航設備，其自動化程度更勝一籌。轟炸機上的投彈導航員鎖定某一特定的恆星後，導航設備就會通過方位角和仰角持續地對這一星星進行跟蹤。此後較先進的天文導航器是安裝於戰略空軍司令部FB-111A飛機上的Litton公司研製的AN/ASQ-119型導航器。

　　自動天文跟蹤器具有非常高的精度，但是它的造價高，維護費用高，對校準的準確性要求也極高。衛星導航的出現導致了這些設備的沒落。然而它們並沒有完全退出，事實上，它們在不斷地進行著升級，如RC-135V/W「鉚釘」（Rivet Joint）型電子戰飛機上使用的諾斯羅普·格魯曼公司生產的一個LN-120G星際導航系統，就是這樣一種得到了升級的天文導航系統。它是一種全球定位系統(GPS)增強型的恆星慣性導航系統，能夠對恆星進行全時跟蹤。這一慣性導航系統運用了恆星角度定位，並且得到了GPS系統的支持，精度可以達到20角秒，諾斯羅普·格魯曼公司對這一指標引以為榮。空軍將在RC-135V/W 系列飛機上將安裝30部這樣的系統，以提供更高的定位精度。

　　天文跟蹤器一個固有的缺點，就是它們在工作時需要對某一顆或數顆星星形成一個自由的視野。這對飛行高度較高的那些飛機是沒有問題的，但是對那些飛行高度較低的飛機而言，由於它們經常不得不在惡劣天候條件下飛行，要對某一顆或幾顆星星進行無障礙觀測有時則是不可能的。

　　衛星在出現之初就引起了人們的極大的興趣，人們想衛星能不能使用既有的導航理念，成為像無線電導航那樣的一種新的導航手段呢？那一時期產生了許多關鍵性的技術，原子鐘就是其中的一例，它能夠非常準確且穩定地計時，還有一個是偽隨機碼技術，它的應用帶來了無線電測距技術的發展。最早開始的衛星導航研究項目是1962年美國空軍的「621」計劃和1963年美國海軍研究實驗室的「TIMATION」計劃。

　　衛星導航使用無線電微波信號，相對於恆星導航來說，它具有兩個極大的優點，第一個就是它能夠支持全天候的行動，第二個是毋須斥巨資建造和維護光學跟蹤硬體設施。當然，衛星導航也需要為終端用戶的導航設備配備廉價而小型化的數字電子計算機，這項技術在二十世紀70年代隨著微處理器的產生而出現。

　　衛星導航系統的建設和維護費用之所以比恆星導航系統大大降低，是因為它使用精確測距技術作為主要的測量手段，取代了角度測量手段。角度測量手段無論是在射頻波段，還是在光波波段都比測距手段要昂貴得多。

　　Navstar全球定位系統計劃是由海軍和空軍的計劃合併而成的一個多機構計劃，在空軍的領導下實施，第一顆Navstar全球定位系統實驗衛星--導航技術衛星2號(NTS.2)於1977年發射。GPS全球定位系統起源於Navstar衛星，它可以提供陸、海、空使用的精確、持續、全天候、全球性航行的位置和時間信息。這個系統雖然最初是以軍事上的用途為主，但隨著時代的演進，它已經非常普遍地使用在軍事以外的其他廣闊的領域了。

　　當前所有衛星導航方案的基礎理念就是在這些衛星的軌道位置可以準確掌握的情況下，對四顆或更多的衛星進行偽距測量，通過對數學方程組的求解可以得到定位接收機的地理位置。測距是通過把導航接收機與衛星的主時鐘廣播進行同步，然後測量出一個編碼導航信號從衛星到接收機所需的時間，來求出衛星到接收機的距離。天下沒有免費的午餐，根據幾何學原理，幾顆衛星在接收機的視野中彼此隔開得越遠，獲得的精確度才會更高。當衛星成一連串的形式集中出現於天空的某一部分，這時的精確度將會急劇下降。這一效應被稱為幾何精度稀釋(GDOP)。在對南斯拉夫的轟炸任務中，空軍給每一個轟炸機單位都發了一個事先計算好的關於幾何精度稀釋誤差的圖表，這張圖表可以告訴導航人員，在每一個區域執行任務時，每一天、甚至每天的每一小時，導航衛星會出現在那個地方天空的什麼地方，這樣作戰人員就可以選擇在幾何精度稀釋誤差最小的時候來執行預先計劃的任務了。

　　第一批全球定位系統接收機於二十世紀80年代投入使用，這些接收機體積大而笨重，造價昂貴，僅是使用一個單波道接收機對每一顆可見的衛星進行連續的自動跟蹤和偽距測量。到了二十世紀90年代，全球定位系統接收機開始具有了多個波道，比較典型的接收機有5到8個波道，體積比較小，而且造價也更加便宜。這一時期，GPS全球定位系統開始從飛機向另外一種體積更大、造價更高的武器平臺--艦船發展，從而最終演變成了一種廣泛應用於各種軍事平臺和制導武器彈藥上的導航系統。

　　在全球定位系統出現之前，導航系統主要利用昂貴的慣性平臺，在一些附屬的傳感器的幫助下來提高導航定位的精度。雖然慣性系統具有良好的性能，不需要外部參照物就能夠測量平臺的空間位置，但它們同時也會隨著時間的流逝產生連續的漂移誤差，不管慣性單元使用的是旋轉式陀螺儀，還是雷射諧振腔技術，事實上都無法改變這一狀況。

　　在GPS之前，最昂貴但最精確的導航系統使用都卜勒設備來進行準確的速度測量，使用具有天體定位作用的天文跟蹤器來限制慣性系統中漂移誤差的產生。許多空中系統中除了熱成像和雷射瞄準設備，還會有附屬的雷達裝置，用來為系統提供輔助性的導航定位輸入。

　　儘管一套單獨的全球定位系統接收機硬體設備要比它所取代的設備便宜得多，但它仍然可以實現等效甚至是更好的測量精度，這就是全球定位系統徵服世界的原因。

　　全球定位系統很快就在彈藥制導方面有了新的用途。澳大利亞防務科學和技術組織(DSTO)很早就曾提出用全球定位系統來引導航空炸彈，但是沒有獲得採納，因此澳大利亞直到採購了聯合直接攻擊彈藥(JDAM)以後才算有了全球定位系統支持的武器。

　　全球定位系統引飛彈藥使用導致了GPS幹擾機和抗幹擾GPS接收機的產生。GPS制導炸彈的產生推進了能夠快速聯絡衛星的接收機的發展。最近，為了進一步提高抗幹擾性能和定位的精確性，在原有的衛星導航信號中又加入了額外的GPS信號。導航領域的差分GPS技術產生於二十世紀80年代，它使用一個輔助的波道加載額外的用於GPS偽距測量的修正數據，來校正大氣遲延、軌道漂移和其他一些情況下產生的誤差。當前最精確的差分GPS系統的誤差值僅為數英寸。

　　前蘇聯很早就認識到GPS系統的潛在價值，為了不致落後，部署了自己的與GPS對等的系統--格洛納斯(Glonass)導航系統。蘇聯解體後，俄羅斯沒有足夠的經濟實力來增加衛星數量，因此格洛納斯導航系統星座在軌衛星數量較GPS系統要少。歐洲人最近才參與到全球定位系統這個項目中來，他們成功地研製並發射了伽利略導航系統。

　　全球定位系統的未來會是什麼樣子？等到上述這些系統更加成熟以後，其抗幹擾能力和導航精度將得到進一步的提升，終端用戶設備也將變得更加準確、便宜和便於操縱使用，將來可能會出現兩個主要的衛星導航系統分庭抗禮的局面。但不管怎樣，如果追根溯源的話，衛星導航系統在許多的方面還是要從恆星導航系統來汲取發展的經驗。

　　譯自：聯合力量季刊

　　作者：卡羅-考普

　　編譯：知遠/柳川