卫星定位系统的发展与应用

广东天文学会关于2004年学术论文研讨会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：研制卫星；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；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。图1子午卫星星座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4573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。图2多普勒定位原理t1t2t3t4P（X，Y，Z）（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35m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0.51m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t1、t2、t3、t4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）。多普勒定位的几何原理是：卫星在t1、t2、t3、t4点上的坐标是已知的，而任意两个相邻已知点到待定点P的距离差（即视向位移）已通过多普勒效应测定。在数学上我们知道，一个动点P到两个定点的距离差为一定值时，该动点P则构成一个旋转双曲面，这两个定点就是该双曲面的焦点。于是以卫星所在的t1、t2、t3、t4任意两个相邻已知定点作焦点，未知点P作动点均构成对应的特定旋转双曲面。其中两个双曲面相交为一曲线（P点必在该曲线上），曲线与第三个双曲面相交于两点（其中一点必为P点），第四个双曲面必与其中一点相交该点就是待定的P（X、Y、Z）点。因此要解算P点的三维坐标，必须对同一颗卫星要有四个积分间隔时段的观测，得出卫星在四段时间间隔的视向位移。从而获得四个旋转双曲面，它们的公共交点就是待定点P（X、Y、Z）。1.4 子午卫星导航系统的不足之处（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1518分钟。这样势必带来一系列的问题：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。在一次定位的过程中（1518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。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、时分等多路接收技术，确定了该系统不能成为连续导航系统。（3）子午卫星导航系统的定位精度偏低。这是该系统的致命缺陷，究其原因主要有三个方面：卫星轨道低，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。由于卫星引力摄动和阻力摄动计算不准导致的定位误差可达12米。卫星信号频率较低受电离层影响大，这是因为电离层是电磁波的弥散介质，对不同频率（f）的信号传播速度影响很大。在电离层延时改正公式中略去了频率的高次项（1/f2）2频率越低导致的误差就越大，在地磁赤道附近太阳活动的中等年份，由此产生的定位误差大于1米，在太阳活动大年误差就更大。子午卫星的卫星钟频不够稳定，由于观测时间过长而此间钟频不稳定导致的钟漂d（f）引起的定位误差可达0.8米。由于上述种种原因，纵使子午卫星导航系统刚服役不久，就迫使美国国防部不得不着手研究第二代的卫星导航系统全球定位系统（GPS）。2、全球定位系统（GPS）该系统的全称是：卫星测时测距导航/全球定位系统（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System）。1973年12月，美国国防部批准陆、海、空三军联合研制第二代的卫星导航系统全球定位系统（GPS）。该系统是以卫星为基础的无线电导航系统，具有全能性（陆地、海洋、航空、航天）、全球性、全天候、连续性、实时性的导航、定位和定时等多种功能。能为各类静止或高速运动的用户迅速提供精密的瞬间三维空间坐标、速度矢量和精确授时等多种服务。图3GPS卫星星座GPS计划经历了方案论证（19741978年），系统论证（19791987年），试验生产（19881993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Block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Block型和BlockA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BlockR和Block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：如图3所示，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；卫星通过天顶附近时可观测时间为5小时，在地球表面任何地方任何时刻高度角15度以上的可观测卫星至少有4颗，平均有6颗，最多达11颗。（2）地面系统：地面设有5个卫星监测跟踪站； 1个主控站；3个信息注入站（分布情况如图4所示）。5个监测站分别位于夏威夷、科罗拉多、阿松森、迭哥伽西亚、卡瓦加兰，主要负责监测卫星的轨道数据、大气数据以及卫星工作状态。通过主控站的遥控指令监测站自动