子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性

1. 子午衛(wèi)星系統(tǒng)

2. 1957年10月，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星成功發(fā)射，科學(xué)家開(kāi)始著手進(jìn)行衛(wèi)星定位和導(dǎo)航的研究工作。美國(guó)詹斯·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的吉爾博士和魏芬巴哈博士對(duì)該衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)的多普勒頻移進(jìn)行的研究表明，利用地面跟蹤站上的多普勒測(cè)量資料可以精確確定衛(wèi)星軌道；同時(shí)，另外兩位科學(xué)家麥克盧爾博士和克什納博士的研究表明，如果對(duì)一顆軌道已被準(zhǔn)確確定的衛(wèi)星進(jìn)行多普勒測(cè)量，則可以確定用戶的位置。這些工作為子午衛(wèi)星系統(tǒng)的誕生奠定了必要基礎(chǔ)，當(dāng)時(shí)美國(guó)海軍正在尋求一種可對(duì)北極星潛艇中的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行不間斷地精確修正的方法，所以積極資助應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展深人的研究。1958年12月，在美國(guó)海軍的資助下，詹斯·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研制了為美國(guó)軍用艦艇導(dǎo)航服務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)，即海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（Navy Navigation SatelliteSystem,NNSS），在該系統(tǒng)中，衛(wèi)星的軌道都通過(guò)地極，故也稱為子午（Transit）衛(wèi)星系統(tǒng)。

子午衛(wèi)星系統(tǒng)是美國(guó)海軍研制、開(kāi)發(fā)、管理的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用多普勒測(cè)量的方法來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航和定位。1959年9月，美國(guó)發(fā)射了第一顆試驗(yàn)性衛(wèi)星，到1961年11月，先后發(fā)射了9顆試驗(yàn)性導(dǎo)航衛(wèi)星。經(jīng)過(guò)幾年試驗(yàn)研究，解決了衛(wèi)星導(dǎo)航的許多技術(shù)問(wèn)題。從1963年12月起，陸續(xù)發(fā)射了由6顆衛(wèi)星組成的子午衛(wèi)星星座，1964年，該系統(tǒng)建成并投入使用。該系統(tǒng)軌道接近圓形，衛(wèi)星高度為1100km，軌道傾角為90°左右，周期約為107min，位于中緯度地區(qū)的用戶，平均每隔l.5h便可觀測(cè)到其中一顆衛(wèi)星。1967年7月，該系統(tǒng)解密后提供民用，用戶數(shù)量激增，最終達(dá)95000個(gè)用戶，其中軍方用戶只有650個(gè)，不足總數(shù)的1%。

2.子午衛(wèi)星系統(tǒng)的局限性雖然采用多普勒測(cè)量的方法建立起來(lái)的子午衛(wèi)星系統(tǒng)在衛(wèi)星導(dǎo)航定位的發(fā)展中具有里程碑的意義，但該系統(tǒng)也存在明顯的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)為：

（1）無(wú)法提供實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)定位。

由于該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目較少（5~6顆），因而從地面站觀測(cè)所需等待衛(wèi)星出現(xiàn)的時(shí)間較長(zhǎng)（平均約1.5h），無(wú)法提供連續(xù)的實(shí)時(shí)定位，難以充分滿足軍事方面，尤其是高動(dòng)態(tài)目標(biāo)（如飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等）導(dǎo)航的要求，也無(wú)法滿足汽車(chē)等運(yùn)行軌跡較為復(fù)雜的地面車(chē)輛導(dǎo)航定位的需要。

（2）定位速度慢。

利用子午衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于衛(wèi)星數(shù)目少，大部分時(shí)間都是在等待衛(wèi)星，真正的觀測(cè)時(shí)間不足20%，限制了作業(yè)效率。為獲得對(duì)大地測(cè)量有意義的成果，一般需觀測(cè)50~100次合格的衛(wèi)星通過(guò)，歷時(shí)一星期左右。

（3）定位精度低。

子午衛(wèi)星運(yùn)行高度較低（平均約1100km），屬于低軌衛(wèi)星，衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)受地球重力場(chǎng)模型誤差和大氣阻力等攝動(dòng)因素的誤差影響很大，通常只能獲得分米級(jí)至米級(jí)的定位精度；同時(shí)，還受到信號(hào)頻率、衛(wèi)星鐘等其他因素的影響，所以該系統(tǒng)在大地測(cè)量學(xué)和地球動(dòng)力學(xué)研究方面的應(yīng)用也受到了很大的限制。

2GPS的產(chǎn)生和發(fā)展由于子午衛(wèi)星系統(tǒng)存在上述缺點(diǎn)，為了滿足軍事部門(mén)和民用部門(mén)對(duì)實(shí)時(shí)和三維導(dǎo)航的迫切要求，1973年，美國(guó)國(guó)防部便開(kāi)始組織海、陸、空三軍，共同研究建立新一代的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一—授時(shí)與測(cè)距導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)（Navigation System Timing and Ranging Global Positioning System,NAVSTAR/GPS），通常簡(jiǎn)稱為全球定位系統(tǒng)（GPS）。

目前，GPS作為全球唯一保持正常運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，已在軍事、交通運(yùn)輸、測(cè)繪、高精度時(shí)間比對(duì)、土地利用規(guī)劃及資源調(diào)查等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，為測(cè)繪領(lǐng)域帶來(lái)了一場(chǎng)深刻的技術(shù)革命。