開欄的話 科技論文，對普通人來說總有點神秘，讀起來也晦澀難懂。其實，科技論文不僅是科技工作者的智力成果，代表著他們勇攀科技高峰的不懈努力，也跟百姓生活息息相關。我們的社會、我們的生活那些日新月異的變化，往往與科技工作者的研究有著密切的關係。
日前，北京市科學技術協會舉辦的第十四屆北京青年優秀科技論文評選結果揭曉。我們將在《京城科研》欄目中，選介一些內容，看看優秀科技工作者的科研和我們的生活又有怎樣的聯繫。
獲獎論文：北京市科協主辦第十四屆北京青年優秀科技論文二等獎 《最優定位構型及其分類理論》
論文作者：中國測繪科學院副研究員 薛樹強
「天眼」看得準 位置很重要
「什麼地方」、「什麼時間」，是我們日常生活經常遇到的兩個普適問題。當今社會，世界這麼大，你想出去走走，不帶現金可以，可千萬別忘了帶手機，不僅是因為手機裡面有支付寶，更因為裡面有地圖、有導航、有周邊衣食住行、有微信共享位置、有行程的足跡……為什麼時間和位置在我們的生活中如此重要？這是因為人類70%以上的活動與時空息息相關。
1974年，美國GPS的出現，徹底改變了人類獲取時空信息的方式，使我們在全球任何地方都能享受到便捷的定位、導航和授時。由我國完全自主的北鬥衛星導航定位系統（BDS），是名副其實的「國之重器」，已媲美於美國GPS、俄羅斯GLONASS以及歐洲伽利略系統。
理解衛星導航定位原理，只需要一些幾何物理常識，它就是以人造衛星作為參照物，確定地面目標的空間位置。這類似於人們用地面參照物確定位置，例如你在教學樓和實驗樓的中間位置。其實，人類很早就學會利用太陽、北鬥星等進行地面定位和授時了。
那麼，衛星「天眼」看地球會不會「橫看成嶺側成峰」呢？答案是肯定的。人之所以可以對物體進行精確定位，就是因為人有一雙眼睛，而不是一隻眼睛。「失之毫釐，謬以千裡」所反映的，就是因觀測幾何條件不佳而引起的測量誤差放大，即在非常高的測量精度水平下，目標測量精度卻非常低。因此，導航衛星的高度、軌道姿態和由多顆衛星構成的幾何圖形，決定了它對地球形狀、大小及其自轉變化的觀測能力，也決定了其導航定位授時應用的服務性能。
大家自然會問，發射多少衛星，衛星在什麼方位，可以確保衛星對地觀測和導航定位的精度呢？似乎只需要天上的衛星足夠多，就可以確保這一點。但這個問題卻不像想像的那麼簡單，而是需要從最優化理論入手，確保多顆衛星形成的定位幾何結構足夠「強壯」。這一點非常類似於，金剛石的硬度源於其正四面體網狀幾何結構。
用方程解開衛星「隊型」的秘密
利用2萬多千米高度的GPS衛星，可實現毫米級甚至亞毫米級精度的高精度定位，更不用說普通用戶導航定位應用了。這個雖然超出了普通人的想像力，但這確實是一個事實。
GPS高精度有兩個小秘密，他們導航衛星的軌道傾斜角約為55度，軌道高度為不高不低約為2萬千米。歐洲正在建設的伽利略導航衛星系統，就在學習GPS身上的小秘密，軌道傾角和軌道高度和GPS基本相同。
有沒有和GPS解決方案相媲美，甚至更好的解決方案呢？答案是肯定的。薛樹強進行的這項研究就推導出了最優導航衛星星座的條件方程。當然，這裡面涉及的數學知識比較多，就不展開介紹了。我們只把研究的結論在這裡介紹一下。
研究發現，GPS僅僅是這個條件方程的一個近似解，並且存在許多與GPS完全不同的更完美解決方案。他們的試驗也表明，在相同衛星數目條件下，只需要最優化嵌套兩個不同軌道傾角的衛星星座，就可以得到比GPS更好的全球導航定位性能。
同樣的，也可以驗證GPS衛星高度為2萬千米的合理性。在這個高度上，GPS衛星運動的頻率大約為每天圍繞地球運動兩圈。實際上，我們只需要在設計衛星高度時，確保它每天圍繞地球運動整數圈即可，而不一定非學習GPS衛星每天運動兩圈，例如我們可採用中低軌衛星星座獲得更高頻率的對地觀測資料。
最優定位構型作為各類導航定位系統設計的「樣圖」，不僅可用於導航衛星星座設計，還可用於各種室內定位和水下定位系統設計，提高系統導航定位性能，節約系統建設成本。
有一個公開的秘密，我國北鬥導航系統採用了不同於GPS的混合星座設計和星間鏈路等創新性設計，未來有望形成更為強壯的對地觀測與導航定位構型。而本研究對我國自主北鬥全球星座建設與維護具有理論參考價值。
來源：轉自猜你會好奇
編輯：TF003