6202年了，人类导航还需要看星星吗︱天文冷知识

最近在知乎看到一个提问，大意是人类如今已经有了卫星导航，星空失去了实用上的意义，那么星空对于人类还有其他的意义吗？

且不论星空对人类的其他意义，仅就现代导航技术和星空的关系来说，人类如今直接依赖的导航定位方式确实是卫星导航系统（GNSS，Global Navigation Satellite System），而这套系统的根基，仍然跟宇宙深处直接相关。

人：我在哪？

如今想要知道自己身处何地，无需懂得什么天文知识，只要有一部正常工作的手机，打开手机上的地图软件，就能知道自己所在的位置。

手机：我在哪？

现在手机的导航定位功能可以接收多种卫星导航系统的信号，如GPS、北斗、伽利略等。手机定位的方法，简单理解就是获取卫星信号，得知卫星轨道信息以及信号发出时刻，结合接收时刻得到时间差，由此计算卫星位置以及距离，通过接收多颗卫星的信号，得到不同的距离值，最终导出手机的位置。

如果只接收到一颗卫星的信号，那么手机可以在一个半径确定的球面上的任意位置；接收到两颗卫星的信号，手机的可能位置缩小到一个圆；接收三颗卫星的信号，手机的可能位置缩小到两个点，理论上这时候就可以知道手机的位置了，因为两个可能位置中只有一个在地面；现实中手机的时钟不总是准确，会增加距离计算结果的不确定性，因此还需要第四颗卫星的信号解决手机时钟的误差问题。

理想状态下三颗卫星就可以将手机可能位置限定在两个点（A和B）︱Tomasz Ludyga

卫星：我在哪？

在手机定位的过程中，导航卫星扮演的角色其实是中转站，卫星发送给手机的必要信息，追溯源头是地面监测站发出的。多个地面监测站时刻监测同一颗卫星的位置，以求得最新的卫星轨道参数，将相关内容发送给卫星，卫星再转发给手机。

GNSS基本原理︱IAG

地面监测站：我在哪？

地面监测站准确计算卫星轨道的前提是知道自己在地球上的什么位置。地面测站的位置最终是在一个名为国际地球参考架（ITRF）的体系中进行描述。ITRF可以理解为覆盖整个地球的一张三维坐标网。它的原点位于地球质心，X、Y、Z轴随地球一起旋转。全球所有高精度测站的位置，都被表示为这个参考架中的坐标。

ITRF：我是谁？

ITRF[1]是综合了卫星导航系统（GNSS）、甚长基线干涉测量（VLBI） 、卫星激光测距（SLR）[2]、多普勒无线电定轨定位系统（DORIS）[3]四类空间大地测量技术多年的数据，再加上同址仪器[4]之间的本地联测关系，组合构建出的一个高精度地球参考框架。

四类大地测量技术中，VLBI仍然与星空存在紧密联系。VLBI的基本原理是使用地面上相距较远（数千到上万千米）的两台射电望远镜观测河外射电源，如类星体[5]或射电星系。由于两台望远镜的位置存在差异，射电信号到达两台仪器时会产生微小的时间差，介于0.003秒至0.05秒之间。利用安装在每台仪器上的精密原子钟，我们能够以皮秒级的精度精确测得信号的时间延迟，将这个时间差乘上光速，结合射电源的天球位置，就可以导出两台望远镜之间的距离，精度可到达毫米级[6]。

VLBI用于大地测量︱IAG

最近知名视频博主Veritasium真理元素制作了一期主题和现代卫星导航系统相关的视频[7]，里面的一段字幕我觉得可以作为对卫星导航系统工作原理的精练概括——

人类导航参考的「星星」，过去是距离数百光年的银河系内的恒星，如今则是数十亿光年外，位于宇宙深处形似「星星」的类星体。

参考&拓展

[1]https://geodesy.science/2023/importance-reference-frames

[2]https://geodesy.science/item/slr-llr/#learn-this

[3]https://geodesy.science/item/doris/#learn-this

[4]例如某个地点同时放置了VLBI、SLR与GNSS的相关仪器

[5]活动星系核中活动性极强，平均红移最大的一类，因视形态类似恒星得名。 https://nadc.china-vo.org/astrodict/termdetails?id=15705

[6]https://geodesy.science/item/vlbi/#learn-this

[7]https://www.bilibili.com/video/BV1J7E66ZEFf/

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