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子午衛(wèi)星系統(tǒng)采用的是多譜勒導(dǎo)航的原理，即通過測定同一顆衛(wèi)星四個(gè)不同的間隔時(shí)段其信號(hào)的多譜勒效應(yīng)，得出衛(wèi)星在四段時(shí)間間隔的視向位移，從而獲得四個(gè)旋轉(zhuǎn)雙曲面，計(jì)算這四個(gè)旋轉(zhuǎn)雙曲面的交點(diǎn)來進(jìn)行定位。 子午衛(wèi)星系統(tǒng)存在著很多缺陷，特別是：一次定位時(shí)間過長，無法滿足高速用戶的需要；衛(wèi)星出現(xiàn)時(shí)間間隔過長，無法滿足連續(xù)導(dǎo)航的需要；定位精度過低，無法滿足現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的精度要求。 因此，美國國防部不得不著手研究下一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。于是，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的歷史大幕緩緩拉開，GPS慢慢走向了舞臺(tái)中央。 1973年12月，美國國防部批準(zhǔn)陸、海、空三軍聯(lián)合研制第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也就是我們熟知的全球定位系統(tǒng)（GPS）。該系統(tǒng)全稱為“衛(wèi)星測時(shí)測距導(dǎo)航/全球定位系統(tǒng)”（Navigation Satelite Timing And Ranging/Global Position System），是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的導(dǎo)航、定位和定時(shí)的功能，能為各類用戶提供精密的三維坐標(biāo)、速度矢量和精確授時(shí)。 GPS計(jì)劃經(jīng)歷了方案論證階段（1974-1978年），系統(tǒng)論證階段（1979-1987年），試驗(yàn)生產(chǎn)階段（1988-1993年），總投資300億美元，并于1993年全部建成。 下面我們就來了解一下GPS的基本情況： GPS的定位原理 GPS的定位原理可參考相關(guān)文章《南哥說北斗：北斗衛(wèi)星是如何定位的？》，那篇文章已經(jīng)對(duì)GPS系統(tǒng)和BDS系統(tǒng)的定位原理進(jìn)行了比較詳盡的描述。 GPS系統(tǒng)組成 GPS系統(tǒng)主要由空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分組成。 GPS衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星組成，其中21顆為工作衛(wèi)星，3顆為備用衛(wèi)星。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面上，每個(gè)軌道面上有4顆衛(wèi)星，衛(wèi)星運(yùn)行軌道高度為距地表20200千米，運(yùn)行周期為11小時(shí)58分（12恒星時(shí)）。衛(wèi)星軌道面相對(duì)于地球赤道面的軌道傾角為55°，各軌道平面的升交點(diǎn)的赤經(jīng)相差60°，一個(gè)軌道平面上的衛(wèi)星比相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星升交角距超前30°。 GPS衛(wèi)星采用蜂窩結(jié)構(gòu)，主體呈柱形，直徑為1.5m，重量約774kg，使用壽命為7年。衛(wèi)星兩側(cè)裝有兩塊雙葉對(duì)日定向太陽能電池帆板，全長5.33m，接受日光面積為7.2m2，并配置三組15A的鎳鎘電池為衛(wèi)星提供所需的電能。 GPS 衛(wèi)星產(chǎn)生兩組電碼, 一組稱為C/ A 碼( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一組稱為P 碼(Procise Code 10123MHz) , P 碼因頻率較高,不易受干擾, 定位精度高, 因此受美國軍方管制, 并設(shè)有密碼, 一般民間無法解讀, 主要為美國軍方服務(wù)。C/ A 碼人為采取措施而刻意降低精度后,主要開放給民間使用。 GPS衛(wèi)星早期采用銣原子鐘，相對(duì)頻率穩(wěn)定度達(dá)到10~12量級(jí)/秒，誤差8m。1977年，BOKCK Ⅱ型采用了銫原子鐘，相對(duì)穩(wěn)定頻率達(dá)到10~13量級(jí)/秒，誤差則降為2.9m。1981年，BLOCK ⅡR型衛(wèi)星采用了氫原子鐘，相對(duì)穩(wěn)定頻率為10 ～ 14量級(jí)/秒，誤差僅為1m。 地面監(jiān)控部分主要由1個(gè)主控站、3個(gè)注入站和5個(gè)監(jiān)測站組成。 (1) 主控站 主控站設(shè)在美國本土科羅拉多空間中心。它除了協(xié)調(diào)管理地面監(jiān)控系統(tǒng)外，還負(fù)責(zé)將監(jiān)測站的觀測資料聯(lián)合處理推算衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣修正參數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)編制成導(dǎo)航電文送到注入站。此外，它還可以調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定軌道運(yùn)行或啟用備用衛(wèi)星。 (2) 注入站 注入站設(shè)在阿松森群島、迭哥伽西亞、卡瓦加蘭。其主要任務(wù)是將主控站編制的導(dǎo)航電文，通過直徑為3.6m的天線注入給相應(yīng)的衛(wèi)星。 (3) 監(jiān)測站 監(jiān)測站設(shè)在科羅拉多、阿松森群島、迭哥伽西亞、卡瓦加蘭和夏威夷。站內(nèi)設(shè)有雙頻GPS接收機(jī)、高精度原子鐘、氣象參數(shù)測試儀和計(jì)算機(jī)等設(shè)備。主要任務(wù)是完成對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)的連續(xù)觀測，并將搜集的數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)貧庀笥^測資料經(jīng)處理后傳送到主控站。 3、用戶設(shè)備部分 用戶設(shè)備是指用戶GPS接收機(jī)。其主要任務(wù)是捕獲衛(wèi)星信號(hào)，跟蹤并鎖定衛(wèi)星信號(hào)。對(duì)接收的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行處理，測量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線間的傳播時(shí)間。能譯出GPS衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)計(jì)算接收機(jī)天線的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間。 覆蓋范圍 GPS是覆蓋全球的全天候?qū)Ш较到y(tǒng)，衛(wèi)星通過天頂附近時(shí)可觀測時(shí)間為5小時(shí)，在地球表面任何地方、任何時(shí)刻高度15度以上的可觀測衛(wèi)星至少有4顆，平均有6顆，最多達(dá)到11顆。 1、GPS應(yīng)用于導(dǎo)航 （1）武器導(dǎo)航：精確制導(dǎo)導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈； （2）車輛導(dǎo)航：車輛調(diào)度、監(jiān)控系統(tǒng)、汽車自主導(dǎo)航、地面車輛跟蹤、城市智能交通管理； （3）船舶導(dǎo)航：遠(yuǎn)洋導(dǎo)航、港口/內(nèi)河引水； （4）飛機(jī)導(dǎo)航：航線導(dǎo)航、進(jìn)場著陸控制； （5）星際導(dǎo)航：衛(wèi)星軌道定位； （6）個(gè)人導(dǎo)航：個(gè)人旅游、野外探險(xiǎn)。 2、GPS應(yīng)用于授時(shí)校頻 （1）電力，郵電，通訊等網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步； （2）準(zhǔn)確時(shí)間的授入。 3、 GPS應(yīng)用于高精度測量 （1）各種等級(jí)的大地測量，控制測量； （2）道路和各種線路放樣； （3）水下地形測量； （4）工程機(jī)械（輪胎吊、推土機(jī)等）控制； （5）精細(xì)農(nóng)業(yè)。 4、GPS應(yīng)用于定位 （1）車輛防盜系統(tǒng)； （2）手機(jī)、PDA、PPC等通信移動(dòng)設(shè)備防盜、電子地圖、定位系統(tǒng)； （3）兒童及特殊人群的防走失系統(tǒng)。 |
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