衛(wèi)星定位系統(tǒng)原理及各國(guó)發(fā)展的歷史

1、簡(jiǎn)述簡(jiǎn)述:衛(wèi)星定位系統(tǒng)原理及各國(guó)發(fā)展的歷史衛(wèi)星定位系統(tǒng)原理及各國(guó)發(fā)展的歷史1、子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（NNSS）該系統(tǒng)又稱多普勒衛(wèi)星定位系統(tǒng)，它是58年底由美國(guó)海軍武器實(shí)驗(yàn)室開始研制于64年建成的“海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)”（NavyNavigationSatelliteSystem）。這是人類歷史上誕生的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。bbs.]1957年10月前蘇聯(lián)成功發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星后，美國(guó)霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的吉爾博士和魏分巴哈博士對(duì)衛(wèi)星遙測(cè)信

2、號(hào)的多普勒頻移產(chǎn)生了濃厚的興趣。經(jīng)研究他們認(rèn)為：利用衛(wèi)星遙測(cè)信號(hào)的多普勒效應(yīng)可對(duì)衛(wèi)星精確定軌；而該實(shí)驗(yàn)室的克什納博士和麥克盧爾博士則認(rèn)為已知衛(wèi)星軌道，利用衛(wèi)星信號(hào)的多普勒效應(yīng)可確定觀測(cè)點(diǎn)的位置?；羝战鹚勾髮W(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研究人員的工作，為多普勒衛(wèi)星定位系統(tǒng)的誕生奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而當(dāng)時(shí)美國(guó)海軍正在尋求一種可以對(duì)北極星潛艇中的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行間斷精確修正方法，于是美國(guó)軍方便積極資助霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室開展進(jìn)一步的深入研究。1958年

3、12月在克什納博士的領(lǐng)導(dǎo)下開展了三項(xiàng)研究工作：①研制衛(wèi)星；②建立地球重力場(chǎng)模型以便衛(wèi)星的精確定軌和準(zhǔn)確預(yù)報(bào)衛(wèi)星的空間位置；③研制多普勒接收機(jī)。經(jīng)過眾人的努力子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于1964年1月正式建成并投入軍方使用，直至1967年7月該系統(tǒng)才由軍方解密供民間使用。此后用戶數(shù)量迅速增長(zhǎng)，最多達(dá)9.5萬戶，而軍方用戶最多時(shí)只有650個(gè)，不足總數(shù)的1%，可見因生產(chǎn)的需要民間用戶遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軍方。1.1子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組成（1）衛(wèi)星星座：子午衛(wèi)星星座

4、，由六顆獨(dú)立軌道的極軌衛(wèi)星組成。在設(shè)計(jì)上要求衛(wèi)星的軌道的偏心率為零，軌道傾角i=90；衛(wèi)星運(yùn)行周期為T=107m；衛(wèi)星高度約為H=1075km；按理論上的設(shè)計(jì)，六顆衛(wèi)星應(yīng)當(dāng)均勻分布在相互間隔為30度軌道平面上。但由于早期衛(wèi)星入軌精度不高，各衛(wèi)星周期、傾角、偏心率都存在不同程度的誤差，故各衛(wèi)星軌道進(jìn)動(dòng)的大小和方向也都不盡相同，這樣經(jīng)過一段時(shí)間后各衛(wèi)星軌道間的間距就變得疏密不一。因而地面可觀測(cè)衛(wèi)星的時(shí)間分布就變得更加沒有規(guī)律，中緯度地區(qū)的用

5、戶平均1.5小時(shí)左右可以觀測(cè)到一顆衛(wèi)星，有時(shí)在高緯上空可出現(xiàn)多顆衛(wèi)星造成信號(hào)的互相力梯度穩(wěn)定，使衛(wèi)星的天線始終指向地面。他們?cè)谛l(wèi)星天線的指向端接了一條30米長(zhǎng)的穩(wěn)定桿，桿端配有一個(gè)1.4公斤的重錘，在重力的作用下重錘始終把長(zhǎng)桿和天線拉向下方，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定。衛(wèi)星還裝有4塊太陽能電池板，給衛(wèi)星提供所需的電能。（3）衛(wèi)星信號(hào)：衛(wèi)星配有一臺(tái)頻率相當(dāng)穩(wěn)定的鐘，由此產(chǎn)生一個(gè)頻率為4.9996MHz基準(zhǔn)鐘頻信號(hào)，該信號(hào)再經(jīng)過倍頻器分別倍頻30和

6、80倍后，形成兩個(gè)頻率為149.988MHz和399.968MHz的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)供衛(wèi)星使用。[轉(zhuǎn)自鐵血社區(qū):bbs.]（4）定位精度：多普勒定位儀利用廣播星歷的單機(jī)定位精度一般為10m左右若觀測(cè)100次衛(wèi)星通過后的測(cè)量數(shù)據(jù)平差解算后，可獲得精度為3~5m地心坐標(biāo)；如果利用精密星歷觀測(cè)40次衛(wèi)星通過的測(cè)量數(shù)據(jù)平差解算后，可獲得精度為0.5~1m地心坐標(biāo)；為了消除公共誤差提高定位精度，可利用2臺(tái)以上的多普勒定位儀進(jìn)行聯(lián)測(cè)，一般聯(lián)測(cè)的定位精度為0

7、.5m。1.3子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位原理子午衛(wèi)星的定位原理是通過測(cè)定同一顆衛(wèi)星不同間隔時(shí)段其信號(hào)的多普勒效應(yīng)，從而確定衛(wèi)星在各時(shí)段相對(duì)觀察者的視向速度和視向位移，再利用衛(wèi)星導(dǎo)航電文所給定的t1、t2、t3、t4…時(shí)刻的衛(wèi)星空間坐標(biāo)，結(jié)合對(duì)應(yīng)的視向位移則可解算出測(cè)站空間坐標(biāo)P（X，Y，Z）。多普勒定位的幾何原理是：衛(wèi)星在t1、t2、t3、t4…點(diǎn)上的坐標(biāo)是已知的，而任意兩個(gè)相鄰已知點(diǎn)到待定點(diǎn)P的距離差（即視向位移）已通過多普勒效應(yīng)測(cè)定。在

8、數(shù)學(xué)上我們知道，一個(gè)動(dòng)點(diǎn)P到兩個(gè)定點(diǎn)的距離差為一定值時(shí)，該動(dòng)點(diǎn)P則構(gòu)成一個(gè)旋轉(zhuǎn)雙曲面，這兩個(gè)定點(diǎn)就是該雙曲面的焦點(diǎn)。于是以衛(wèi)星所在的t1、t2、t3、t4…任意兩個(gè)相鄰已知定點(diǎn)作焦點(diǎn)，未知點(diǎn)P作動(dòng)點(diǎn)均構(gòu)成對(duì)應(yīng)的特定旋轉(zhuǎn)雙曲面。其中兩個(gè)雙曲面相交為一曲線（P點(diǎn)必在該曲線上），曲線與第三個(gè)雙曲面相交于兩點(diǎn)（其中一點(diǎn)必為P點(diǎn)），第四個(gè)雙曲面必與其中一點(diǎn)相交——該點(diǎn)就是待定的P（X、Y、Z）點(diǎn)。因此要解算P點(diǎn)的三維坐標(biāo)，必須對(duì)同一顆衛(wèi)星要有四個(gè)