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(gè)地面導(dǎo)航臺(tái)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(gè)地面導(dǎo)航臺(tái)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(cè)量其頻移得到運(yùn)動(dòng)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(diǎn)：覆蓋的工作區(qū)域??；電波傳播受大氣影響；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(cè)目標(biāo)，由地面觀測(cè)站對(duì)其進(jìn)行攝影測(cè)量，測(cè)定測(cè)站至衛(wèi)星的方向，來確定地面點(diǎn)的位置的三角網(wǎng)。
衛(wèi)星測(cè)距網(wǎng)：
用激光技術(shù)測(cè)定測(cè)站至衛(wèi)星的距離作為觀測(cè)值的網(wǎng)則稱為衛(wèi)星測(cè)距網(wǎng)。
20世紀(jì)60～70年代，美國(guó)國(guó)家大地測(cè)量局在英國(guó)和德國(guó)測(cè)繪部門協(xié)助下，建立了一個(gè)共45個(gè)點(diǎn)的全球衛(wèi)星三角網(wǎng)，點(diǎn)位精度5米。
衛(wèi)星三角網(wǎng)的缺點(diǎn)：
易受衛(wèi)星可見條件和天氣條件影響，費(fèi)時(shí)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(shí)變高，而在波源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)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(gè)常被使用的例子是火車，當(dāng)火車接近觀察者時(shí)，其汽鳴聲會(huì)比平常更刺耳。你可以在火車經(jīng)過時(shí)聽出刺耳聲的變化。同樣的情況還有：警車的警報(bào)聲和賽車的發(fā)動(dòng)機(jī)聲。
子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(NNSS)：
將衛(wèi)星作為空間動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)，通過在測(cè)站上接受子午衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號(hào)，利用多普勒定位技術(shù)，進(jìn)行測(cè)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(diǎn)：
經(jīng)濟(jì)快速、精度均勻、不受天氣和時(shí)間的限制，且可獲得測(cè)站的三維地心坐標(biāo)。
子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的缺點(diǎn)：
由于衛(wèi)星數(shù)量少，故不能實(shí)時(shí)定位、定位時(shí)間長(zhǎng)、定位精度也低。
1958年，美國(guó)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(jì)劃”。1960年4月，美國(guó)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(guó)1964年建成子午導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，主要由美國(guó)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)目較小（5-6顆），運(yùn)行高度較低（平均1000KM），從地面站觀測(cè)到衛(wèi)星的時(shí)間隔較長(zhǎng)（平均1.5h），因而它無法提供連續(xù)的實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航，而且精度較低。單點(diǎn)定位精度約為30—40米，每次定位約需8—10分鐘。而各測(cè)站觀測(cè)了公共的17次合格的衛(wèi)星通過時(shí)，聯(lián)測(cè)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(tái)全球覆蓋和近程無線電導(dǎo)航臺(tái)定位精度高的優(yōu)點(diǎn)，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(guó)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(cè)量基準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，國(guó)家測(cè)繪總局和總參測(cè)繪局聯(lián)合測(cè)設(shè)了全國(guó)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(cè)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(diǎn)。
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(guó)從本世紀(jì)70年代開始研制，歷時(shí)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(shí)時(shí)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(jì)劃實(shí)施的三個(gè)階段：
1) 第一階段為方案論證和初步設(shè)計(jì)階段。從1973年到1979年，共發(fā)射了4顆試驗(yàn)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(yàn)階段。從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗(yàn)衛(wèi)星，研制了各種用途接收機(jī)。實(shí)驗(yàn)表明，GPS定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
3)第三階段為實(shí)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(shí)用的GPS網(wǎng)即（21+3）GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計(jì)劃更換失效的衛(wèi)星。
為了改進(jìn)GPS系統(tǒng)，美國(guó)計(jì)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(shí)間/年 |
用途 |
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第一代 |
Block I |
11 |
1978～1985 |
試驗(yàn) |
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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(hào)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(gè)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(shí)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(jì)壽命七年半；
2) 在軌時(shí)依靠太陽(yáng)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(gè)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(duì)準(zhǔn)地心。
過天頂?shù)男l(wèi)星可見時(shí)間為5小時(shí)，在地表任意地點(diǎn)及任何時(shí)刻，在高度角15度以上，平均可同時(shí)觀測(cè)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(cè)到的衛(wèi)星個(gè)數(shù)大大增多。
GPS接收機(jī)：
采用碼分多址（CDMA）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了接收機(jī)多通道接收衛(wèi)星信號(hào)，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(guó)測(cè)繪等部門的使用表明，GPS以全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等顯著特點(diǎn)，贏得廣大測(cè)繪工作者的信賴，并成功地應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、工程變形監(jiān)測(cè)、資源勘察、地球動(dòng)力學(xué)等多種學(xué)科，從而給測(cè)繪領(lǐng)域帶來一場(chǎng)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(yàn)，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(diǎn)：
1、GLONASS衛(wèi)星的識(shí)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(duì)衛(wèi)星進(jìn)行激光測(cè)距，對(duì)測(cè)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(cè)速精度15cm/s,授時(shí)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(guó)對(duì)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(jì)劃2008年投入使用，我國(guó)參與了該系統(tǒng)的投資建設(shè)，是一個(gè)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(gè)中高度圓軌道平面上，軌道高度23616km，傾角56度。
地面任一地點(diǎn)任一時(shí)間可見到4顆Galileo衛(wèi)星，達(dá)到全天候、實(shí)時(shí)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(gè)） 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(hào))
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(diǎn)為：主動(dòng)式、全天候、區(qū)域性、短信通訊和低動(dòng)態(tài)。
功能：
1、定位 2、通訊 3、授時(shí)