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)家開始著手進行衛(wèi)星定位和導(dǎo)航的研究工作。美國詹斯·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室的吉爾博士和魏芬巴哈博士對該衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號的多普勒頻移進行的研究表明，利用地面跟蹤站上的多普勒測量資料可以精確確定衛(wèi)星軌道；同時，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，如果對一顆軌道已被準確確定的衛(wèi)星進行多普勒測量，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)，當時美國海軍正在尋求一種可對北極星潛艇中的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進行不間斷地精確修正的方法，所以積極資助應(yīng)用物理實驗室開展深人的研究。1958年12月，在美國海軍的資助下，詹斯·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室研制了為美國軍用艦艇導(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)是美國海軍研制、開發(fā)、管理的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用多普勒測量的方法來進行導(dǎo)航和定位。1959年9月，美國發(fā)射了第一顆試驗性衛(wèi)星，到1961年11月，先后發(fā)射了9顆試驗性導(dǎo)航衛(wèi)星。經(jīng)過幾年試驗研究，解決了衛(wèi)星導(dǎo)航的許多技術(shù)問題。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95000個用戶，其中軍方用戶只有650個，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量的方法建立起來的子午衛(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，主要表現(xiàn)為：

（1）無法提供實時、動態(tài)定位。

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

（2）定位速度慢。

利用子午衛(wèi)星進行測量時，由于衛(wèi)星數(shù)目少，大部分時間都是在等待衛(wèi)星，真正的觀測時間不足20%，限制了作業(yè)效率。為獲得對大地測量有意義的成果，一般需觀測50~100次合格的衛(wèi)星通過，歷時一星期左右。

（3）定位精度低。

子午衛(wèi)星運行高度較低（平均約1100km），屬于低軌衛(wèi)星，衛(wèi)星運行時受地球重力場模型誤差和大氣阻力等攝動因素的誤差影響很大，通常只能獲得分米級至米級的定位精度；同時，還受到信號頻率、衛(wèi)星鐘等其他因素的影響，所以該系統(tǒng)在大地測量學(xué)和地球動力學(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，為了滿足軍事部門和民用部門對實時和三維導(dǎo)航的迫切要求，1973年，美國國防部便開始組織海、陸、空三軍，共同研究建立新一代的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一—授時與測距導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)（Navigation System Timing and Ranging Global Positioning System,NAVSTAR/GPS），通常簡稱為全球定位系統(tǒng)（GPS）。

目前，GPS作為全球唯一保持正常運行的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，已在軍事、交通運輸、測繪、高精度時間比對、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，為測繪領(lǐng)域帶來了一場深刻的技術(shù)革命。