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2021-07-28 微信搜索 热度:479

这个问题很有意思,我来试着回答一下导航卫星的作用。首先要说的是,确实,当卫星在更高的轨道上飞行的时候,卫星的信号可以被更广阔的地区接收到。如下图所示,就是最简单的一道几何题,当卫星距离地球越远的时候,卫星信号覆盖的地球面积就越大(角度θ就越大)。

导航卫星的作用:卫星导航系统为什么要发射那么多颗卫星?

导航卫星的作用:卫星导航系统为什么要发射那么多颗卫星?

但是,这种信号辐射面积的增大并不是线性的。什么叫线性的?意思就是卫星高度1公里,信号照射面积1平方公里;卫星高度2公里,信号照射面积2平方公里……但是实际上不是这样的,是卫星高度1公里,信号照射1平方公里,卫星高度2公里,信号照射面积1.5平方公里。也就是说,随着卫星高度越来越高,信号照射面积的上涨越来越缓慢,而卫星飞行高度越高,需要耗费的燃料却是越来越多的。

导航卫星的作用:卫星导航系统为什么要发射那么多颗卫星?

所以卫星的高度高到一定程度之后,高度再提高就不划算了。用一句专业术语来说就是边际效益越来越低。换成最简单的话,就是一分钱一分货,十分钱两分货。

假设一颗卫星发射到1公里的高度需要100块,发射到2公里需要200块,一颗卫星在1公里高度可以照射1平方公里的面积,在2公里的高度可以照射1.5平方公里的面积。

那么发射两颗卫星到1公里的高度可以照射2平方公里的面积,需要200块,而发射一颗卫星到2公里的高度只可以照射1.5平方公里的面积,同样需要200块,你说谁划算?

所以说,科学家必须在单颗卫星发射成本和卫星发射数量之间做一个平衡。并不是说越高越好。另外,轨道太高之后对于通讯方面也应该是有影响的,太近了会受到大气和地球摄动的影响,太远了信号太弱——不过这不是我的专业,所以我也说不好,还需要请专业人士做详细的解答。

总之,像定位导航卫星这样需要发射几十颗卫星的系统,需要综合考虑卫星发射成本、卫星发射数量、通讯信号强度等等一系列的问题,这在早期规划的时候需要详细论证,保证用最少的钱办最多最好的事情。如下图所示,GPS、北斗、格洛纳斯、伽利略都有自己的规划。

导航卫星给我们的日常生活中带来哪些便利?

*通信卫星 它的功能是为人们传递电视、电话信号的。

没有它,你就很难打越洋电话或观看世界新闻、国际比赛。*气象卫星 它携带的遥感设备俯瞰整个地球大气层,对地球上的风、云、雨以及森林火灾进行监测。气象卫星收回的图像和数据,是气象科技人员准确预报全球天气的依据。*地球资源卫星 它利用遥感仪器来发现在地面和低空难以发现的地理特征,利用它所获得的资料,可准确估计地球上各地区的植被、地质、水文、海水等方面的资源情况。*侦察卫星 它携带有分辨率很高的照相机、摄相机对地面目标进行拍摄,可准确地反映地面部队的调动、集结及各种军事设施的变化。*导航卫星 帮助海上航行的船只辨明方向和位置。舰船通过对两颗以上卫星的观察和测距,准确地知道自己所处地理位置的坐标。

卫星定位原理及原子钟的作用?

GPS卫星定位基本原理:测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的,卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间,再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰,这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离,而是伪距。为了计算用户的三维位置和接收机时钟偏差,伪距测量要求至少接收来自4颗卫星的信号。通过接收机时钟得到时间差,从而知道四个信号从卫星到接收机的不准确距离(含同一个误差值,由接收机时钟误差造成),用这四个不准确距离和四个卫星的准确位置构建四个方程,解方程组就得到接收机位置。

星载原子钟是我国北斗导航卫星的最关键部件之一,被称为时频分系统的心脏,为卫星系统提供稳定水平很高的时间频率型号,其性能决定了导航系统定位、测速及授时的精度。如果钟的精度提高,导航精度也会提高。

原子钟的精度可以达到每100万年时间误差不超过1秒。这为天文、宇宙航行、航海、卫星导航等提供了强有力的保障。

原子钟能够在足够小的体积内实现1纳秒的精度, 所以卫星导航特别依赖原子钟。然而,现在的导航卫星,无论是北斗还是GPS,使用的都是普通原子钟,也可以称为热原子钟(相对冷原子钟而言)。其基本原理是利用特殊原子(如氢原子、铷原子、铯原子)的某个特定跃迁频率,这个特定频率有极高的稳定性,可以精确到皮秒甚至飞秒,但原子的这个跃迁频率不能直接使用,需要让电磁波与原子相互作用,间接地用电磁波把这个频率导出来,这是原子钟的基本原理。

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