【原】大幕拉开：北斗卫星导航的前世今生（二）

大幕拉开

上一篇《源起：北斗卫星导航的前世今生（一）》我们说到子午卫星系统作为第一代卫星导航系统，开创了卫星导航的先河。

子午卫星系统采用的是多谱勒导航的原理，即通过测定同一颗卫星四个不同的间隔时段其信号的多谱勒效应，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，计算这四个旋转双曲面的交点来进行定位。

子午卫星系统存在着很多缺陷，特别是：一次定位时间过长，无法满足高速用户的需要；卫星出现时间间隔过长，无法满足连续导航的需要；定位精度过低，无法满足现实应用中的精度要求。

因此，美国国防部不得不着手研究下一代卫星导航系统。于是，卫星导航系统的历史大幕缓缓拉开，GPS慢慢走向了舞台中央。

1973年12月，美国国防部批准陆、海、空三军联合研制第二代卫星导航系统，也就是我们熟知的全球定位系统（GPS）。该系统全称为“卫星测时测距导航/全球定位系统”（Navigation Satelite Timing And Ranging/Global Position System），是以卫星为基础的无线电导航系统，具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度矢量和精确授时。

GPS计划经历了方案论证阶段（1974-1978年），系统论证阶段（1979-1987年），试验生产阶段（1988-1993年），总投资300亿美元，并于1993年全部建成。

下面我们就来了解一下GPS的基本情况：

GPS的定位原理

GPS的定位原理可参考相关文章《南哥说北斗：北斗卫星是如何定位的？》，那篇文章已经对GPS系统和BDS系统的定位原理进行了比较详尽的描述。

GPS系统组成

GPS系统主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分组成。

1、空间星座部分

GPS卫星星座由24颗卫星组成，其中21颗为工作卫星，3颗为备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上，每个轨道面上有4颗卫星，卫星运行轨道高度为距地表20200千米，运行周期为11小时58分（12恒星时）。卫星轨道面相对于地球赤道面的轨道倾角为55°，各轨道平面的升交点的赤经相差60°，一个轨道平面上的卫星比相邻轨道平面上的相应卫星升交角距超前30°。

GPS卫星采用蜂窝结构，主体呈柱形，直径为1.5m，重量约774kg，使用寿命为7年。卫星两侧装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板，全长5.33m，接受日光面积为7.2m²，并配置三组15A的镍镉电池为卫星提供所需的电能。

GPS 卫星产生两组电码,  一组称为C/ A 码( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一组称为P 码(Procise Code 10123MHz) , P 码因频率较高,不易受干扰, 定位精度高, 因此受美国军方管制, 并设有密码, 一般民间无法解读, 主要为美国军方服务。C/ A 码人为采取措施而刻意降低精度后,主要开放给民间使用。

GPS卫星早期采用铷原子钟，相对频率稳定度达到10~12量级/秒，误差8m。1977年，BOKCK Ⅱ型采用了铯原子钟，相对稳定频率达到10~13量级/秒，误差则降为2.9m。1981年，BLOCK ⅡR型卫星采用了氢原子钟，相对稳定频率为10 ～ 14量级/秒，误差仅为1m。

2、地面监控部分

地面监控部分主要由1个主控站、3个注入站和5个监测站组成。

(1) 主控站

主控站设在美国本土科罗拉多空间中心。它除了协调管理地面监控系统外，还负责将监测站的观测资料联合处理推算卫星星历、卫星钟差和大气修正参数，并将这些数据编制成导航电文送到注入站。此外，它还可以调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行或启用备用卫星。

(2) 注入站

注入站设在阿松森群岛、迭哥伽西亚、卡瓦加兰。其主要任务是将主控站编制的导航电文，通过直径为3.6m的天线注入给相应的卫星。

(3) 监测站

 监测站设在科罗拉多、阿松森群岛、迭哥伽西亚、卡瓦加兰和夏威夷。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、气象参数测试仪和计算机等设备。主要任务是完成对GPS卫星信号的连续观测，并将搜集的数据和当地气象观测资料经处理后传送到主控站。

3、用户设备部分

用户设备是指用户GPS接收机。其主要任务是捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号。对接收的卫星信号进行处理，测量出GPS信号从卫星到接收机天线间的传播时间。能译出GPS卫星发射的导航电文，实时计算接收机天线的三维坐标、速度和时间。

覆盖范围

GPS是覆盖全球的全天候导航系统，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15度以上的可观测卫星至少有4颗，平均有6颗，最多达到11颗。

典型应用领域

1、GPS应用于导航

（1）武器导航：精确制导导弹、巡航导弹；

（2）车辆导航：车辆调度、监控系统、汽车自主导航、地面车辆跟踪、城市智能交通管理；

（3）船舶导航：远洋导航、港口/内河引水；

（4）飞机导航：航线导航、进场着陆控制；

（5）星际导航：卫星轨道定位；

（6）个人导航：个人旅游、野外探险。

2、GPS应用于授时校频

（1）电力，邮电，通讯等网络的时间同步；

（2）准确时间的授入。

3、 GPS应用于高精度测量

（1）各种等级的大地测量，控制测量；

（2）道路和各种线路放样；

（3）水下地形测量；

（4）工程机械（轮胎吊、推土机等）控制；

（5）精细农业。

4、GPS应用于定位

（1）车辆防盗系统；

（2）手机、PDA、PPC等通信移动设备防盗、电子地图、定位系统；

（3）儿童及特殊人群的防走失系统。

以GPS为代表的卫星导航应用产业已逐步成为一个全球性的高新技术产业，也开启了第二代卫星导航系统之门。

紧跟美国GPS之后，前苏联于1976年启动格洛纳斯项目，即我们熟知的GLONASS(GLObalnaya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema)。一直到1995年，俄罗斯才完成了耗资30多亿美元的GLONASS导航卫星星座的组网工作。它也由24颗卫星组成，原理和方案都与GPS类似，不过，其24颗卫星分布在3个轨道平面上，这3个轨道平面两两相隔120°，同平面内的卫星之间相隔45°。每颗卫星都在19100千米高、64.8°倾角的轨道上运行，轨道周期为11小时15分钟。地面控制部分全部都在俄罗斯领土境内。

美国GPS和俄罗斯GLONASS作为第二代卫星导航系统的典型代表，推动了卫星导航系统在全球范围内的成熟应用。