1.1.1 早期的衛(wèi)星定位技術(shù)
1、無線電導(dǎo)航系統(tǒng)
- 羅蘭--C：工作在100KHZ，由三個地面導(dǎo)航臺組成，導(dǎo)航工作區(qū)域2000KM，一般精度200-300M。
- Omega（奧米茄）：工作在十幾千赫。由八個地面導(dǎo)航臺組成，可覆蓋全球。精度幾英里。
- 多卜勒系統(tǒng)：利用多卜勒頻移原理，通過測量其頻移得到運(yùn)動物參數(shù)（地速和偏流角），推算出飛行器位置，屬自備式航位推算系統(tǒng)。誤差隨航程增加而累加。
缺點：覆蓋的工作區(qū)域?。浑姴▊鞑ナ艽髿庥绊?；定位精度不高
2、早期的衛(wèi)星定位技術(shù)
衛(wèi)星三角網(wǎng)：
以人造地球衛(wèi)星作為空間觀測目標(biāo)，由地面觀測站對其進(jìn)行攝影測量，測定測站至衛(wèi)星的方向，來確定地面點的位置的三角網(wǎng)。
衛(wèi)星測距網(wǎng)：
用激光技術(shù)測定測站至衛(wèi)星的距離作為觀測值的網(wǎng)則稱為衛(wèi)星測距網(wǎng)。
20世紀(jì)60～70年代，美國國家大地測量局在英國和德國測繪部門協(xié)助下，建立了一個共45個點的全球衛(wèi)星三角網(wǎng)，點位精度5米。
衛(wèi)星三角網(wǎng)的缺點：
易受衛(wèi)星可見條件和天氣條件影響，費(fèi)時費(fèi)力，定位精度低。
1.1.2 子午衛(wèi)星導(dǎo)航（多普勒定位）系統(tǒng)及其缺陷
多普勒頻移：
多普勒效應(yīng)是為紀(jì)念Christian Doppler而命名的，他于1842年首先提出了這一理論。
他認(rèn)為電磁波頻率在電磁源移向觀察者時變高，而在波源遠(yuǎn)離觀察者時變低。因此可利用頻率的變化多少來確定距離的變化量。
多普勒效應(yīng)的一個常被使用的例子是火車，當(dāng)火車接近觀察者時，其汽鳴聲會比平常更刺耳。你可以在火車經(jīng)過時聽出刺耳聲的變化。同樣的情況還有：警車的警報聲和賽車的發(fā)動機(jī)聲。
子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(NNSS)：
將衛(wèi)星作為空間動態(tài)已知點，通過在測站上接受子午衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，利用多普勒定位技術(shù)，進(jìn)行測速、定位的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點：
經(jīng)濟(jì)快速、精度均勻、不受天氣和時間的限制，且可獲得測站的三維地心坐標(biāo)。
子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的缺點：
由于衛(wèi)星數(shù)量少，故不能實時定位、定位時間長、定位精度也低。
1958年，美國為解決北極星核潛艇在深海航行和執(zhí)行軍事任務(wù)而需要精確定位的問題，開始研制軍用導(dǎo)航衛(wèi)星，命名為“子午儀計劃”。1960年4月，美國發(fā)射了世界第一顆子午導(dǎo)航衛(wèi)星，傳統(tǒng)的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)從此被這種新的導(dǎo)航方式取代。美國1964年建成子午導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，主要由美國海軍使用，到1967年開始正式向民用開放。由于該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目較?。?-6顆），運(yùn)行高度較低（平均1000KM），從地面站觀測到衛(wèi)星的時間隔較長（平均1.5h），因而它無法提供連續(xù)的實時三維導(dǎo)航，而且精度較低。單點定位精度約為30—40米，每次定位約需8—10分鐘。而各測站觀測了公共的17次合格的衛(wèi)星通過時，聯(lián)測定位的精度才能達(dá)到0.5米左右。子午導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)是低軌道導(dǎo)航衛(wèi)星，它集中了遠(yuǎn)程無線電導(dǎo)航臺全球覆蓋和近程無線電導(dǎo)航臺定位精度高的優(yōu)點，僅用4顆衛(wèi)星組成的太空導(dǎo)航星座就能提供全天候全球?qū)Ш礁采w和周期性二維（經(jīng)緯度）定位能力，使全球用戶統(tǒng)一于地心坐標(biāo)系進(jìn)行高精度定位，使導(dǎo)航技術(shù)產(chǎn)生了革命性突破。
70年代中期，我國利用引進(jìn)的多普勒接收機(jī)進(jìn)行了西沙群島的大地測量基準(zhǔn)聯(lián)測，國家測繪總局和總參測繪局聯(lián)合測設(shè)了全國衛(wèi)星多普勒大地網(wǎng)，石油和地質(zhì)勘探部門也在西北地區(qū)測設(shè)了衛(wèi)星多普勒定位網(wǎng)。
前蘇聯(lián)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（CICADA）：
12顆宇宙衛(wèi)星組成，也存在上述缺點。
1.1.3 GPS全球定位系統(tǒng)的建立
GPS全球定位系統(tǒng)：
全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System - GPS）是美國從本世紀(jì)70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。
GPS計劃實施的三個階段：
1) 第一階段為方案論證和初步設(shè)計階段。從1973年到1979年，共發(fā)射了4顆試驗衛(wèi)星。研制了地面接收機(jī)及建立地面跟蹤網(wǎng)。
2)第二階段為全面研制和試驗階段。從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗衛(wèi)星，研制了各種用途接收機(jī)。實驗表明，GPS定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。
3)第三階段為實用組網(wǎng)階段。1989年2月4日第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，表明GPS系統(tǒng)進(jìn)入工程建設(shè)階段。1993年底實用的GPS網(wǎng)即（21+3）GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計劃更換失效的衛(wèi)星。
為了改進(jìn)GPS系統(tǒng)，美國計劃并發(fā)射了第三代GPS衛(wèi)星。
表1 GPS衛(wèi)星的發(fā)展概況
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衛(wèi)星類型 |
衛(wèi)星數(shù)量/顆 |
發(fā)射時間/年 |
用途 |
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第一代 |
Block I |
11 |
1978～1985 |
試驗 |
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第二代 |
Block II,IIA |
28 |
1989～1996 |
正式工作 |
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第三代 |
Block IIR,IIF |
33 |
1997～2010 |
改進(jìn)GPS系統(tǒng) |
注：Block IIA(A=Advanced),IIR(R=Replacement),IIF(F=Follow on)
GPS系統(tǒng)包括三大部分：
1) 空間部分—GPS衛(wèi)星星座；
2) 地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng)；
3) 用戶設(shè)備部分—GPS信號接收機(jī)。
GPS衛(wèi)星星座的基本參數(shù)：
1) 衛(wèi)星數(shù)21+3顆；
2) 6個衛(wèi)星軌道面，軌道傾角55度；
3) 衛(wèi)星高度為20200km,衛(wèi)星運(yùn)行周期為11小時58分；
4) 載波L1頻率為1575.42MHz，L2為1227.60MHz。
GPS工作衛(wèi)星情況：
1) 在軌重量843.68kg，設(shè)計壽命七年半；
2) 在軌時依靠太陽能電池及鎘鎳蓄電池供電；
3) 有12根螺旋形天線組成的陣列天線，向地面發(fā)射張角為30度的電磁波束；
4) 由一個推力系統(tǒng)保持衛(wèi)星在軌位置及姿態(tài)調(diào)整，衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整采用三軸穩(wěn)定方式，使衛(wèi)星天線始終對準(zhǔn)地心。
過天頂?shù)男l(wèi)星可見時間為5小時，在地表任意地點及任何時刻，在高度角15度以上，平均可同時觀測到6顆衛(wèi)星，最多可達(dá)9顆衛(wèi)星，但隨著第三代GPS衛(wèi)星的發(fā)射，可觀測到的衛(wèi)星個數(shù)大大增多。
GPS接收機(jī)：
采用碼分多址（CDMA）技術(shù)，實現(xiàn)了接收機(jī)多通道接收衛(wèi)星信號，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通信領(lǐng)域的聯(lián)通CDMA手機(jī)應(yīng)用了此技術(shù)。
經(jīng)近10年我國測繪等部門的使用表明，GPS以全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，贏得廣大測繪工作者的信賴，并成功地應(yīng)用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學(xué)等多種學(xué)科，從而給測繪領(lǐng)域帶來一場深刻的技術(shù)革命。
1.1.4 GLONASS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)
GLONASS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的建成：
前蘇聯(lián)于1982年開始發(fā)射GLONASS衛(wèi)星，至1996年共發(fā)射24+1顆衛(wèi)星，經(jīng)數(shù)據(jù)加載，調(diào)整和檢驗，于1996年1月18日系統(tǒng)正式運(yùn)行，主要為軍用。
其原理和系統(tǒng)組成與GPS系統(tǒng)類似。
主要特點：
1、GLONASS衛(wèi)星的識別方法采用頻分復(fù)用制，L1頻率為1.602～1.616GHz,頻道間隔為0.5625MHz；L2頻率為1.246～1.256GHz,頻道間隔為0.4375MHz。
2、GLONASS衛(wèi)星上均裝由激光反射鏡，地面控制站組（GCS）對衛(wèi)星進(jìn)行激光測距，對測距數(shù)據(jù)作周期修正。
3、GLONASS系統(tǒng)民用不帶任何限制。不收費(fèi)。
4、民用的標(biāo)準(zhǔn)精度通道（CSA）精度數(shù)據(jù)為：水平精度為50～70m，垂直精度75m，測速精度15cm/s,授時精度為1µs。
衛(wèi)星定位系統(tǒng)的集成：
目前已有GPS與GLONSS集成的接收機(jī)，這樣GLONSS可與GPS衛(wèi)星一起定位，使可接受的衛(wèi)星數(shù)目增加一倍，提高定位精度，也可有效地削弱美俄兩國對各自定位系統(tǒng)的可能控制，提高定位的可靠性和安全性。
1.1.5 伽利略(Galileo)GNSS系統(tǒng)
Galileo系統(tǒng)建設(shè)始于2002年，計劃2008年投入使用，我國參與了該系統(tǒng)的投資建設(shè)，是一個全開放型的高精度的民用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。
衛(wèi)星星座：
30顆衛(wèi)星均勻分布在3個中高度圓軌道平面上，軌道高度23616km，傾角56度。
地面任一地點任一時間可見到4顆Galileo衛(wèi)星，達(dá)到全天候、實時導(dǎo)航和定位。與GPS/GLONASS有機(jī)地兼容，增強(qiáng)系統(tǒng)使用的安全性和完善性。
表2 三種衛(wèi)星系統(tǒng)比較
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衛(wèi)星系統(tǒng) GLONASS GPS Galileo |
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衛(wèi)星數(shù)（顆） 21+3 21+3 27+3 軌道面數(shù)（個） 3 6 3 軌道傾角（度） 64.8 55 56 平均高度（km） 19100 20200 23616 周期（hm） 11h15m 11h58m 14h 衛(wèi)星射電頻率L1 1602-1616MHz 1575.42MHz 1561-1569MHz 衛(wèi)星射電頻率L2 1246-1256MHz 1227.6 MHz 1224-1232MHz C/A碼頻率 511 kHz 1.023 MHz 1176.75 MHz (E |
1.1.6 雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(北斗一號)
系統(tǒng)組成：北斗導(dǎo)航定位衛(wèi)星、地面控制中心、北斗用戶終端。
星座由2顆＋1顆（備用）的地球同步衛(wèi)星組成。
其特點為：主動式、全天候、區(qū)域性、短信通訊和低動態(tài)。
功能：
1、定位 2、通訊 3、授時