卫星定位原理及发展历史

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•1、子午卫星导航系统（NNSS）

该系统又称多普勒卫星定位系统，它是58年底由美国海军武器实验室开始研制,于64年建成的“海军导航卫星系统”（NavyNavigationSatelliteSystem）。这是人类历史上诞生的第一代卫星导航系统。

1957年10月前苏联成功发射了第一颗人造卫星后，美国霍普金斯大学应用物理实验室的吉尔博士和魏分巴哈博士对卫星遥测信号的多普勒频移产生了浓厚的兴趣。经研究他们认为：利用卫星遥测信号的多普勒效应可对卫星精确定轨；而该实验室的克什纳博士和麦克卢尔博士则认为已知卫星轨道，利用卫星信号的多普勒效应可确定观测点的位置。霍普金斯大学应用物理实验室研究人员的工作，

理实验室开展进一步的深入研究。1958年12

制卫星；

收机。经过众人的努力子午卫星导航系统于1964年7月该系统才由军方解密供民间使用。

只有650个，不足总数的1%

1.1子午卫星导航系统的组成

（1

度约为

卫星，（此时必须将信噪比差的卫星关闭避免（2个计算中心；1个控制中心；2个注入站；1个

夏威夷、当子午卫星通过跟踪站上空时可以观测记

计算中心设在加州的穆古角，计算

并外推预报16小时的卫星位置，然后按一定的编码格式写成导航电文传送到注入站。地面的2个注入站分别位于穆古角和明尼苏达州，注入站接收并存储由计算中心送来的导航电文，每12小时左右向卫星注入1次导航电文。在地面系统中美国海军天文台主要负责卫星以及地面计时系统的时间对比，求出卫星钟差改正数和钟频改正数。地面控制中心设在穆古角，主要负责协调和管理整个地面控制系统的工作。

1.2子午卫星导航系统的技术特点

（1）定轨精度：在卫星跟踪技术条件一定，使用相同的地球重力场模型且摄动修正精度一定的情况下，卫星定轨精度主要取决于地面跟踪站的数量及其分布，一般来说跟踪站越多、分布越广计算出的卫星轨道就越精确。

广播星历：是由美国本土的4个卫星跟踪站的观测数据解算的。因测站数量及分布范围都小，故卫星定轨精度不高。广播星历所预报的卫星位置的切向误差±17m；径向误差±26m；法向误差±8m。

精密星历：是由美国国防制图局根据全球20个卫星跟踪站的观测资料解算的，因测站数量多且分布范围广故卫星定轨精度较高。精密星历所预报的卫星位置精度为±2m。

（2）卫星性能：限于早期火箭的运载能力，子午卫星的重量、体积都很小。星体直径约为50公分，卫星重量为45~73公斤。如此轻巧的卫星如何保持姿态稳定，使卫星天线始终指向地面在当时是一个技术难点（使用卫星姿态发动机无法解决燃料的长期供应，这显然是不现实的）。美国科学家巧妙地利用重力梯度稳定，使卫星的天线始终指向地面。他们在卫星天线的指向端接了一条30米长的稳定杆，杆端配有一个1.4公斤的重锤，在重力的作用下重锤始终把长杆和天线拉向下

方，实现卫星的姿态稳定。卫星还装有4

（3

信号，该信号再经过倍频器分别倍频30和80

的标准信号供卫星使用。

（4）定位精度：次卫星通过后的测量数据平差解算后，可获得精度为次卫星通过的测量数据平差解算后，可获得精度为

可利用2

1.3子午卫星导航系统的定位原理

t4…时

P

在数学上我们知道，一个动点P到两个定点的距

这两个定点就是该双曲面的焦点。于是以卫星所在的P作动点均构成对应的特定旋转双曲面。，曲线与第三个双曲面相交于两点（其

P（X、Y、Z）点。因此要解算P得出卫星在四段时间间

P（X、Y、Z）。

1.4

（1）一次定位所需时间过长，无法满足高速用户的需要。这一缺点是由多普勒定位方法的本身决定的。因为采用距离差交会的各个旋转双曲面的焦点是由同一颗卫星在飞行的过程中逐步形成的。为了保证观测精度，这些焦点的距离不能太小。在一次测量定位的过程中，要求卫星对于测点的起、止观测角度θ必须在90°左右（参见图2）。因此一次定位一般需要连续观测一颗卫星通过的时间约为15～18分钟。这样势必带来一系列的问题：①该系统只能作为船舶等低动态用户进行辅助导航（例如惯性导航间断修正），无法用于飞机、导弹、卫星等高动态用户的实时定位。②在一次定位的过程中（15～18分钟）导航载体还在运动，其间导航载体的空间位置可能变化10公里左右。于是解算时必须根据导航载体的运动速度将观测值归算至同一时刻，显然这会影响导航定位精度。③为了减少一次定位所需时间，只能采用低轨道的短周期多普勒卫星。而低轨卫星由于受到地球不规则重力场的引力摄动和大气阻力摄动的影响很大，低轨卫星精确定轨的测算难度很大且精度不高。

（2）卫星出现时间间隔过长，无法满足连续导航的需要。由于子午卫星系统没有采用频分、码分、时分等多路接收技术，要求在同一时刻多普勒接收机只能接收一颗子午卫星的信号。但是接收机本身无法识别和屏蔽不同的子午卫星的信号，于是在同一天区如果出现两颗以上的子午卫星，就会导致定位信号的相互干扰。尤其是对于极轨卫星，为了防止在高纬度地区的视场中同时出现多颗卫星造成信号干扰的可能性，子午卫星的数量一般不宜超过6颗。因卫星数量少导致中低纬度地面出现可观测卫星的时间间隔过长，中纬度地区的用户平均1.5小时左右可以观测到一颗卫星。而考虑到轨道进动的不规则漂移导致轨道间隔分布的不均匀性因素后，在低纬度地区最不利时要等待10小时才能观测到卫星，这样该系统就很难满足用户连续导航的需要。尽管如此，有时在高纬上空还是可出现多颗卫星造成信号互相干扰的现象，此时用户只能通过地面控制中心将信噪比差的卫星信号关闭以避免信号的相互干扰。限于当时的技术条件，子午卫星系统没有采用频分、码分、时

（3）子午卫星导航系统的定位精度偏低。

①卫星轨道低，

定轨的测算难度很大且精度不高。1～2米。

②卫星信号频率较低受电离层影响大，（f）

的误差就越大，

大年误差就更大。

f）

2

（）。

1973

系统（具有全能性（陆地、海洋、航空、航天）、

GPS1979～1987年），试验生产（1988～1993年）三个阶段，总投资300亿美元。整个系统分为卫星星座、地面监测控制系统和用户设备三大部分。论证阶段发射了11颗BlockⅠ型GPS实验卫星（设计使用寿命为5年）；在试验生产阶段发射了28颗BlockⅡ型和BlockⅡA型GPS工作卫星（第二代卫星的设计使用寿命为7.5年）；第三代改善型GPS卫星BlockⅡR和BlockⅢ型GPS工作卫星从90年代末开始发射计划发射20颗，以逐步取代第二代GPS工作卫星，改善全球定位系统。

2.1全球定位系统（GPS）的组成

（1）卫星星座：全球定位系统的空间卫星星座，由分布在六个独立轨道的24颗GPS卫星组成（其中包括3颗备用卫星），平均每个轨道上分布4颗卫星，各轨道升交点的赤经相差60°。卫星轨道倾角i=55°；卫星运行周期T=11h58m（恒星时12小时）；卫星高度H=20200km；卫星通过