“子午线”导航卫星系统

发展中国家: 美国

名称和型号: “子午线”导航卫星系统

发展单位: 美国海军

费用: 近100亿美元

当前状态: 已退休

I. “子午线”导航卫星系统概述

1957年，当追踪苏联的第一颗卫星时，美国的两位科学家意外地发现，他们接收到的信号具有多普勒频移效应，即，卫星在接近苏联时接收到的信号. 地面. 飞行时，频率逐渐增加而逐渐减小. 对这一现象的认真研究激发了科学家的灵感. 卫星的轨道可以通过地面站测得的多普勒频移曲线确定. 如果我们知道卫星的精确轨道，就不能确定地面的位置吗？从那时起，一种先进的导航技术-卫星导航悄然出现.

1958年，美国海军开始开发一种名为“子午线”的多普勒卫星导航系统，也称为海军卫星导航系统. 1980年4月13日，世界上第一个卫星导航卫星子午线1B成功发射，开启了人类导航技术的新纪元. “子午线”导航卫星星座由4到5个具有均匀分离的轨道平面的“子午线”卫星组成，这使世界各地的导航用户平均每1.5小时可以使用卫星进行一次定位. 它的主要功能是为核潜艇和各种水面舰船提供高精度和间断的二维定位，用于海上石油勘探和海洋测量定位，土地使用者定位和大地测量. 从1960年4月到1980年代初，美国发射了30多个子午线.

“子午线”卫星也存在一些先天缺陷，例如连续实时导航；只能提供二维坐标（经度和纬度）；无法提供飞机的高度和速度信息；用户必须等待卫星从头顶飞过定位，而且每次定位都需要十多分钟，因此高速移动物体的测量误差很大.

根据用户是否需要向卫星发送信号，导航卫星分为主动导航卫星和被动导航卫星. 军事导航通常使用无源导航卫星，以使用户不会受到照射. 导航卫星分为两种类型: 根据导航方法的多普勒速度测量和时间测距. 前者以美国发起的“子午线”系列为代表，后者以美国发起的“导航之星”全球定位系统为代表.

美国是世界上第一个开发和应用导航卫星的国家. 第一颗实用的导航卫星是由美国军方开发和发射的. 在1960年代初期，美国建立了“子午线”导航卫星系统，主要用于精确定位“北极星”导弹核潜艇. 1964年7月，导航卫星网络正式投入使用，主要为核潜艇提供全天候定位.

“子午线”导航卫星系统是美国的低轨道导航卫星系统，也称为海军导航卫星系统. 它是由美国海军开发的，是一种已被美国使用多年的导航卫星系统. 该卫星位于大约10,000米高的近圆形极轨道上，通常使4到5颗卫星处于运行状态. 该系统使用双频多普勒测速导航系统，该系统具有全天候，使用单个卫星进行全球导航和定位的优势. 也就是说，观察者可以通过测量卫星发射的波的多普勒频移来获得二维精度. 定位数据.

美国海军对定位系统一直很感兴趣. 当时，美国海军已经配备了导弹核潜艇. 他们发现，如果仅知道攻击目标的精确位置，并且无法确定导弹发射时核潜艇的位置，那么无论导弹制导装置的精度如何，导弹都不会准确地击中目标. 军方开发和应用“子午线”导航卫星系统的最初目的是为“北星”核动力潜艇提供准确的位置数据. 为此，潜艇必须在卫星通过过程中无线延伸出海面以接收定位信息，然后使用定位数据来校正惯性导航系统中的错误. 缺点是一次定位需要很长时间，并且无法连续定位. 两次定位之间的平均时间为35分钟到100分钟，有时长达数小时，并且不能在三个维度上定位. 后来，“子午线”导航卫星系统也应用于海上各种船舶的导航，从大型战斗舰到海岸巡逻艇. “子午线”卫星还可以用于军事大地测量和制图.

“子午线”导航卫星自1958年以来就已开发. “子午线IB”试验卫星于1960年4月发射. 它于1964年7月交付海军. 1967年7月，美国政府宣布将解密并允许平民使用. 1972年，开始实施唯一的午间改善计划. 发射了三颗卫星. 主要测试是扰动补偿系统，该系统补偿了大气阻力和太阳辐射压力引起的实时轨道扰动，从而提高了星历表的准确性. 1981年5月发射改进的工作卫星“子午线”，并更名为“新星”卫星，以补充“子午线”卫星的不足. “子午线”导航卫星系统的导航精度主要取决于所预测的卫星. 星历的精度，用户设备的测量精度以及用户动态特性的测量精度. 精确星历表仅限于军事用途，未公开. 精度约为6米，星历卫星多次通过的定位精度可达到1米（对于静态人）广播星历在30米以内，双频接收机的定位精度为20米至50米（均方根值）. “新星”卫星的定位精度为16米至36米. 对于动态用户，速度测量误差会大大降低定位精度. 例如，船舶各部分的速度误差将导致370米的定位误差.

目前，在轨卫星有七颗“子午线”卫星，其中一颗被用作后备恒星. 卫星导航定位精度可以达到50米至100米，定位过程时间为10分钟至15分钟. “子午线”导航卫星系统受当时的技术水平，服务对象，开发周期等因素的制约，存​​在明显的缺陷. 例如，它不能连续定位，两次定位之间的时间间隔较长（平均约1.5小时）. 因此，它仅适用于固定目标和舰船等低速操作体的间断二维定位，不适用于飞机，导弹，卫星和航天器等高速飞机的三维定位. 因此，“子午线”导航卫星系统将逐渐被“导航星”导航卫星系统取代.

第二，“子午线”导航卫星系统-GPS导航系统的改进版本

在美国，有两个主要的导航卫星系列，即“子午线”导航卫星系统和导航星全球定位系统（GPS）. “子午线”导航卫星于1960年代中期交付给海军. 在1970年代之后，实施了一项改进计划，并在1980年代初期，发射了“ Neostar”导航卫星来代替“ Meridian”卫星. “子午线”导航卫星系统是低轨道卫星系统. 卫星在约1100公里的圆极轨道上运行. 它使用多普勒频移和标准时间定位原理进行导航. 它具有全天候和全球导航的特点. 高精度经纬度二维定位数据，

但是，无法进行连续的实时导航. 两次定位之间的平均时间为35到100分钟，有时长达10个小时. 全球用户通常每半小时使用一次卫星定位. “子午线”卫星重63公斤，寿命5年，定位精度为50米，工作频率为150至400 MHz，倾斜角为89°至90°，周期为100至107分钟. 地球运转形成一个卫星导航网络.

自“子午线”以来，美国已开始使用时距卫星导航方法-“全球定位系统”，即GPS，开发第二代导航卫星. GPS是美国国防部开发的基于卫星的全球导航系统. 它可以为全球的飞机，轮船，地面部队，车辆和低轨道航天器提供全天候，连续，实时，高精度3D位置和3D. 速度和时间数据.

第一颗GPS卫星于1978年10月6日发射. 1993年12月，完成了24个卫星网络. 1995年4月27日，它达到了全面的运行能力. GPS卫星已经分两代和三种模型进行了开发，现在的轨道是第二代GPS-2A和2R的两种模型，卫星寿命约为7.5年.

GPS是继“阿波罗”登月和航天飞机之后的又一项重大航空航天科学技术成就. 该系统是军民两用系统. 过去几年中，民用用户的标准定位服务精度为100米，而军事定位精度为10米. 为了增强其在全球导航市场上的竞争力，美国政府于2000年5月1日午夜取消了GPS的SA干扰技术，以使军民定位精度保持在10米.

GPS系统本质上是军事系统，优先为军队服务. 从1991年的海湾战争开始到现在，美国几乎所有军事行动都与卫星定位系统有关: GPS装备给每个作战单位甚至个人；被击落的F-117A隐身飞机的飞行员使用GPS快速控制自己. 系统的准确位置信息被发送出去，并迅速得到救援. GPS引导地空导弹和后，精确攻击能力大大提高. 从过去开始，要摧毁一个目标就需要进行多次攻击，而现在却可以被一个目标摧毁. 目标.

三，GPS导航系统的技术特点

GPS GPS的全英文名是“ Navigation Satellite Timing and Ranging / Global Position System”，意思是“卫星时间和距离导航/全球定位系统”，缩写为NAVSTAR / GPS，或简称GPS系统. 该系统是基于卫星的导航和定位系统. 它是继阿波罗登月航天器和航天飞机之后的美国第三大航空航天项目. 它是在子午线卫星系统的基础上开发的. 该系统于1970年发，历时20年，耗资200亿美元. 它于1994年完成.

GPS全球卫星定位和导航系统最初仅用于军事目的，现在也广泛用于商业和科学研究. 它具有多种功能（海洋“子午仪”导航卫星系统，陆地，航空和航天），全球，全天候，连续性以及实时导航，定位和计时功能. 可以为各种用户提供精确的三维位置，三维速度，并给出准确的卫星时间参考. 因此，它被认为是当前定位导航时间服务设备中最重要的发展.

GPS系统包括三个主要部分:

空间部分---- GPS卫星星座；地面控制部分-地面监测系统；用户设备部分---- GPS信号. GPS的空间星座部分由均匀分布在6个轨道平面中的24颗卫星组成； GPS的地面监视部分负责卫星星历的监视和计算. 它包括1个主控制站，3个注入站和5个监视站； GPS用户设备主要由接收机硬件和处理软件组成. 用户通过用户设备接收GPS卫星信号，通过信号处理获得用户的位置，速度等信息，最终实现将GPS用于导航定位的目的.

GPS空间部分使用24个卫星的星座. 这些卫星高约20,200公里，分布在六个彼此相距60度的轨道平面上. 卫星轨道倾角为55度“子午仪”导航卫星系统，每颗卫星分布均匀. 四颗卫星，两个相邻轨道中的卫星相隔40度，因此在地球上的任何时间都可以看到至少四颗卫星. GPS空间部分使用24个卫星组成的星座，卫星高度约为20200公里，分布在六个上升的相交点之间，彼此相距60度. 卫星的倾斜角度为55度. 每颗卫星平均分配有四颗卫星. 两个相邻轨道上的卫星相隔40度. 卫星. GPS卫星提供两种定位服务: P代码（精细代码）和C / A代码（粗略代码）. P代码可为军队提供3米的定位精度； C / A代码向社会开放，定位精度为14米. 为了自身安全，美国已经实施了SA和AS政策. SA策略在C / A代码中人为地引入了错误，从而将定位精度降低到100米； AS策略对P代码进行加密. 由于GPS向社会开放，各种和测量设备如雨后春笋般涌现，并广泛应用于各行各业，从而完全改变了传统的定位和导航方法.

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