科学家对敌方卫星的跟踪研究开启了人类探索未知地球的新篇章——卫星导航。六十年风云变幻，各国政治、军事、科技力量争相竞逐，以GPS、北斗、格洛纳斯、伽利略为代表的卫星定位系统各显神通，而以CAPS为代表的新兴系统亦为这个家族增添了智慧的血液。无边的大海、无垠的沙漠之于人类不再是浩瀚无边的迷宫，精准打击、无人驾驶，这些一个世纪前的科幻故事在卫星定位系统的帮助下成为人类活生生的现实……卫星定位，苍天有眼！
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卫星定位缘起及原理
1957年美国约翰霍普金斯大学科学家William和Gorge在对苏联卫星进行跟踪研究时发现了这样一个现象，那就是这颗卫星的频率出现了偏移，经研究发现是相对运动引起的多普勒频移效应。
威廉和乔治发现，如果在地面上架设多部接收机，就可以根据接收到的信号的不同频差推算出这个卫星的具体位置，他们很高兴地把这个研究成果告诉了实验室主任弗兰克，说他们已经实现了对苏联卫星的多普勒定位跟踪。
弗兰克教授当时在做海军的一项研究，研究内容是五角大楼如何知道茫茫大海中军舰的具体位置，听到两位科学家的汇报后他眼前一亮，既然你们能够发现卫星在哪里，如果把问题反过来，卫星就能发现你们在哪里，海军军舰定位的问题迎刃而解，GPS（Global Positioning System，全球定位系统）系统就此启动！
理论上，一束电波从A点射向B点，用时t秒，假设光速为c，则t与c之积t*c便是A、B两点间的距离，没错，这就是卫星定位的基本原理。然而实际中，由于大气密度不均、电离层干扰等原因，使得单点定位往往存在较大的误差，所以在工程实际中，人们通常用多颗卫星发射信号，对一点进行定位测量，这样做的目的在于通过构建方程组消除误差。
卫星定位系统的应用
首先，卫星定位系统最直接的作用在于测量，即测量地球上任意一点的经纬度，故而定位、导航则是其首要用途。人们在野外探测、航海中，卫星定位系统相对于指南针罗盘，定位效果更精确可靠，例如发生海难时，救援船只可以通过卫星定位系统提供的精确的经纬数据找到遇险船只。同时，精确的定位给了现代军事以针对目标精确打击的可能性，2004年，以色列先后采用精确打击技术消灭了哈马斯连续两任精神领袖——亚辛和兰提斯，精确打击技术使得战争对目标以外的物体所造成的伤害最小化。
其次，授时，即提供精确时间，亦是卫星定位系统的重要应用，原因在于导航卫星内部的高精度原子钟，这种原子钟可以精确到什么水平呢？现有GPS导航卫星的铯原子钟能把8000万年的误差控制在1秒内！高精度的时间服务为金融系统、电力系统、以及军事提供了有效保障。
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四足鼎立的格局
从威廉、乔治以及弗兰克的灵光闪现到今天，人类卫星导航发展到今天已有整整六十载，除有效服务民用之外，其军事、以及国家战略价值更是使得卫星定位系统成为主要国家布局之重器。
目前，除美国的GPS之外，欧洲的伽利略系统，俄罗斯的格洛纳斯系统，以及中国的北斗系统亦扮演者举足轻重的作用，卫星定位领域四巨头鼎立格局基本形成。
值得一提的是，从2000年第一颗卫星发射至今，中国已发射23颗北斗卫星。服务领域涵盖交通、海运、气象等民用及军事领域，同时相比其他三大系统，北斗在段报文通信、定位等方面优势显著。目前，系统服务范围已延伸至东南亚，随着系统的不断完善以及中国“一带一路”战略的实施，相信北斗系统将会在更大范围承载中国的大国影响力。
CAPS——天文学家的神来之笔
2002年的初冬，一道灵光打破了著名太阳物理学家、时任中国科学院国家天文台台长艾国祥院士原本按部就班的工作：如果能利用太空退役卫星的转发器作为一面“镜子”，从地面发射电波信号，则同样能实现对地面坐标的定位导航！而同时被这道灵光打破的是此后世界卫星定位系统的格局，CAPS（中国区域卫星定位系统）应运而生。
CAPS系统的创新之处在于“双重节约”：第一，人类既能避免单独发射成本高昂导航卫星，又能实现导航信号的发射；第二，退役通信卫星以导航卫星的身份继续服役，是“废物再利用”，亦节省了至为宝贵的空间轨道资源。
十多年的发展至今，在艾国祥院士以及其他中国天文学家的共同努力下，CAPS系统已经做到了对中国区域的全境覆盖，同时亦不断将覆盖面积向外延伸，该系统目前作为中国卫星定位系统的重要组成部分，在军事科技领域发挥着重要作用。更为重要的是，这个天文学家的神来之笔给了卫星定位领域一个全新的灵感，未来卫星定位系统的成本或将极大降低，同时珍贵的太空资源或将进一步得到充分利用。
展望未来
六十年风云变幻，几代精英前赴后继，科学家的灵感已然凝结成浩瀚的系统，服务于普通人的生活，例如我们使用的百度地图等位置服务应用便是基于卫星定位。而从产业的角度，单北斗一个系统，到2020年产值便可突破4000亿人民币。更优良的位置服务、多系统的融合、与人工智能的结合将是未来卫星定位系统等发展方向，同时，系统应用将向农业、金融等领域进一步拓宽。此外，以CAPS为代表的新兴系统将为这个高大上的领域带来进一步的成本降低，使得卫星定位技术真正亲民的服务于民！
编辑：赵翠 鲁凡英
（专家：余宜珂，中国科学院国家天文台、华中科技大学博士，科普中国微平台原创首发）
