卫星定位系统的发展与应用

卫星定位系统原理与发展应用前景

广东省韶关学院——廖伟迅

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”（Navy Navigation Satellite System ）。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，为多普勒卫星定位系统的诞生奠定了坚实的基础。而当时美国海军正在寻求一种可以对北极星潜艇中的惯性导航系统进行间断精确修正方法，于是美国军方便积极资助霍普金斯大学应用物理实验室开展进一步的深入研究。1958年12月在克什纳博士的领导下开展了三项研究工作：①研制卫星；②建立地球重力场模型以便卫星的精确定轨和准确预报卫星的空间位置；③研制多普勒接收机。经过众人的努力子午卫星导航系统于1964年1月正式建成并投入军方使用，直至1967年7月该系统才由军方解密供民间使用。此后用户数量迅速增长，最多达

9.5万户，而军方用户最多时只有650个，不足总数的1%，可见因生产的需要民间用户远远大于军方。

1.1 子午卫星导航系统的组成

（1）卫星星座：子午卫星星座，由六颗独

立轨道的极轨卫星组成。

在设计上要求卫星的轨道的偏心率为零，

轨道倾角i =90°；卫星运行周期为T=107m ；

卫星高度约为H=1075km ；按理论上的设计，

六颗卫星应当均匀分布在相互间隔为30度轨道

平面上。但由于早期卫星入轨精度不高，各卫

星周期、倾角、偏心率都存在不同程度的误差，

故各卫星轨道进动的大小和方向也都不尽相同，这样经过一段时间后各卫星轨道间的间距

就变得疏密不一。因而地面可观测卫星的时间分布就变得更加没有规律，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，有时在高纬上空可出现多颗卫星造成信号的互相干扰（此时必须将信噪比差的卫星关闭避免干扰）；但在低纬度地区最不利时要等待10小时才能观测到卫星。

（2）地面系统：地面设有4个卫星跟踪站； 1个计算中心；1个控制中心；2个注入站；1个天文台（海军天文台）。

地面控制系统中设立了四个卫星跟踪站，它们分别位于加利福尼亚州的穆古角、明尼苏达州、夏威夷、缅因州。因为地面跟踪站的精确坐标是已知的，当子午卫星通过跟踪站上空时可以观测记录各卫星信号的多普勒频移，

并将测到的数图1——子午卫星星座

据传送给计算中心。计算中心设在加州的穆古角，计算中心根据各跟踪站最近36小时的观测资料计算各卫星的轨道，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块太阳能电池板，给卫星提供所需的电能。

（3）卫星信号：卫星配有一台频率相当稳定的钟，由此产生一个频率为4.9996MHz基准钟频信号，该信号再经过倍频器分别倍频30和80倍后，形成两个频率为149.988MHz和399.968MHz的标准信号供卫星使用。

（4）定位精度：多普勒定位仪利用广播星历的单机定位精度一般为10m左右,若观测100次卫星通过后的测量数据平差解算

后，可获得精度为3~5m地心坐标；如果利用精密

星历观测40次卫星通过的测量数据平差解算后，可

获得精度为0.5~1m地心坐标；为了消除公共误差

提高定位精度，可利用2台以上的多普勒定位仪进

行联测，一般联测的定位精度为0.5m 。

1.3 子午卫星导航系统的定位原理

如图2所示，子午卫星的定位原理是通过测定

同一颗卫星不同间隔时段其信号的多普勒效应，从

而确定卫星在各时段相对观察者的视向速度和视向

位移，再利用卫星导航电文所给定的t

1、t

2

、t

3

、t

4

…

时刻的卫星空间坐标，结合对应的视向位移则可解算出测站空间坐标P（X，Y，Z）

。多普勒定位的几