[科普中国]-子午仪卫星导航系统

简介

1957年10月苏联第一颗人造卫星上天，在观测卫星的过程中，美国霍普斯金应用物理实验室科学家发现卫星运动引起的多普勒频移效应，断言可以用来实现卫星导航。于是后来在60年代美国实施了子午仪（Transit）卫星导航系统，并取得了成功。1它定点定位误差在接收双频(400兆赫、150兆赫)信号时,约为0.025海里;接收单频（400兆赫）信号时，约为0.05海里。因船速和天线高度数据不准，航行时的定位误差还大一些。一般情况下，一节船速误差会引入0.25海里定位误差。授时准确度约25微秒，利用改进的“诺瓦”(NOVA)卫星可达3微秒。

美国的导航卫星主要有两个系列，即“子午仪”导航卫星系统和导航星全球定位系统（GPS）。“子午仪”导航卫星60年代中期交付海军使用，70年代以后执行改进计划，并于80年代初发射用于取代“子午仪”卫星的“新星”导航卫星。“子午仪”导航卫星系统属低轨道卫星系统，卫星运行于1100 公里左右的圆形极轨道上，利用多普勒频移和标准时间定位原理进行导航，具有全天候、全球导航的特点，能提供高精度的经度、纬度两维定位数据，但不能进行连续实时导航，平均两次定位间隔时间为35～100分钟，有时最长可达10小时，全球用户一般每隔一个半小时便可利用卫星定位一次。“子午仪”卫星重63公斤，寿命5年，定位精度50米，工作频率150～400兆赫，倾角为89°～90°，周期为100～107分钟，利用6颗卫星以鸟笼状形式环绕地球运行，组成卫星导航网络。2

系统组成：“子午仪”卫星导航系统由卫星网、地面跟踪站、计算中心、注入站、美国海军天文台和用户接收设备等6部分组成。①卫星网：使用4～5颗卫星,均为近极轨道。卫星轨道约1000公里,运行周期约107分钟。卫星上的主要设备有：注入信号接收机、存储器、高稳定石英晶体振荡器、导航信号发射器、天线和太阳电池等。②地面跟踪站：共4个，各由定向天线跟踪卫星,接收从卫星发来的信号并进行解调，进行记录并将数据连同时间修正量传送到计算中心。③计算中心：根据各跟踪站送来的数据，计算出每颗卫星未来16小时内在世界时偶数分钟开始时刻的位置，即卫星固定轨道参数和可变轨道参数，经编码后送往注入站。④注入站：对数据进行存储，数据注入每12小时进行一次，以替代卫星中原存的数据，并修正卫星上的时间信号。⑤美国海军天文台：接收卫星在偶数分钟时刻的时间同步信号，与世界时比对后，将时差值送入计算中心，使卫星、跟踪站、计算中心、注入站和用户设备的时间同步。⑥用户接收设备：分双频道和单频道两种，前者用于定位准确度要求高的场合，后者用于一般场合。

子午仪号导航卫星轨道参数预报的相对精度优于5米，绝对精度优于 10 米，导航定位精度一般为20～50米。

发展历程1957年10月4日前苏联发射了第一颗人造地球卫星后，美国在跟踪它的过程中，无意发现了在收到的无线电信号时出现多普勒频率转移效应，就是在卫星飞近地面接收机时，收到的信号频率逐渐升高；而飞过以后，频率就逐渐降低。

这种现象使他们认识到，卫星的运行轨迹可由卫星通过时所测得的多普勒频移曲线来确定。反之，如果知道了卫星的精确轨迹，就能够确定接收机的位置。正是由于这一有趣而科学的发现，竟然揭开了人类利用人造卫星进行导航定位的新纪元。

1958年，美国为解决北极星核潜艇在深海航行和执行军事任务而需要精确定位的问题，开始研制军用导航卫星系统，命名为“子午仪计划”，从1960年4月到80年代初共发射30多颗。第一颗是“子午仪1B”号，用来对导航卫星方案及其关键技术进行试验鉴定，并验证双频多普勒测速定位导航原理。1963年12月发射第一颗实用导航卫星“子午仪5B-2”号；1964年6月发射第一颗定型导航卫星“子午仪5C-1”号，并交付海军使用；1967年7月“子午仪”卫星导航系统组网实用并允许民用。1972年开始执行“子午仪”改进计划（TIP），共发射3颗卫星，主要试验扰动补偿系统，大大提高了轨道预报精度。1981 年5月发射经过改进的实用型“子午仪”号卫星（NOVA）；1996年，“子午仪”卫星导航系统退出历史舞台。3

起动的第一次试验。“子午仪一IB”是一颗直径为0.91米的圆球形卫星,重量121公斤,大部分重量都是化学蓄电池,还安装了少量的太阳电池。卫星是由同地球的地磁场相作用的磁铁系统稳定的。红外地球敏感器监视着卫星通过磁铁系统和“哟一哟”重物释放系统的消旋情况。有效载荷是由两个稳定振荡器和两个工作在162/216兆赫及54/324兆赫的双频发射机组成。螺旋开缝天线装在球面上。这颗星的轨道虽然低于原设计的高度,但还是能够证明在用蓄电池供电的三个月期间内,超稳定振荡器在空间环境中的工作是成功的。第二次发射成功的“子午仪一ZA”是电子钟首次飞行试验的卫星。这颗星比起前一颗带有更多的太阳电池,但蓄电池少了。这样,在利用同样运载火箭的情况下,省下的重量足以再装载一颗子卫星。这是第一次成功地同时发射两颗卫星,并为本计划树立了先例。后来的大多数雷神一艾布尔星运载火箭至少都可装载两颗卫星。最后一次是在1956年8月发射的,那次至少装有7颗卫星。“子午仪一ZA”,除装有导航设备外,还为加拿大装了一台测定宇宙无线电噪声的仪器。这样,“子午仪”卫星便首次成为国际性卫星了。“子午仪一3A”,在一次发射的不幸事故中而告吹。这次失败,由于火箭碎片坠落徉古巴,砸死了一头母牛而引起了一场另一种性质的国际性事件。它的备用星“子午仪一3B”也是多灾多难的。这颗星与子卫星,同运载火箭艾布尔星连在一起未能分离,呆在低轨道上。但在卫星坠入大气层陨毁之前的一个月内,做了小型磁性存贮器系统工作性能的鉴定,同时也为美国陆军测地计划“西可尔”(Sceor)的转发器做了第一次飞行试验。4

“子午仪4A”和“一4B”是圆柱形而非球状的卫星。用这两颗星作了磁心存贮器两种备用设计方案的试验,还装有改进型的振荡第一颗卫星只花了七个月的时间就设计好并装了出来。很不幸,这颗卫星没打成功,这是由于其运载火箭的第三级点火失灵引起的。但事过几个月,备用星“子午仪一IB”用雷神一艾布尔星作运载,在卡纳维拉尔角发射成功了。这次发射还附带地作了火箭发动机在太空中的器,并把162/216兆赫的发射机换成工作频段150/400兆赫的发射机,后来的实用卫星就是采用这两个频段的。这两颗星也是第一次利用空间核能源的卫星。该能源“SNAP一3B”,是一种放射性同位素热电发生器(RTG)S,星上所贴的太阳电池比起前面几颗都多得多。同“子午仪一4B”一起发射的子卫星称为“特雷尔克”(Tarac),打算作为试验实用卫星的重力梯度姿控系统之用。然而,这次发射只取得了部分成功,因为20米长的稳定杆没有完全伸出去。在理论上,卫星就像一个在杆的末端装有重物的线轮一样“悬挂”着,以此保持卫星的一端始终指向地球,这样,星上就可以采用定向天线。结果,在几个月的轨道运行中,“特雷尔克”只是粗略地获得了姿态方面的修正。而“子午仪一4B”以在空间运行十年以上的时间,创造了一项新的记录。但是,“子午仪一4B”和“特雷尔克”卫星,由于星上太阳电池受到“星鱼”高空核爆炸试验的辐照损伤,于1962年7月运行中止了。虽然,这些发射是“子午仪”计划中初期的研究和发展,但是,“子午仪”技术,已经在“安娜”、“探险者”和测地卫星系列中开花结果了,并且改进的“子午仪”卫星,也为美国国防部装载了许多科学试验仪器。

同卫星研制工作齐头并进的一项计划,皆在得到高精度的地球重力场模型。这项工作一直延续到现在还在做。为得到在轨道上运行的一颗卫星实际上的连续覆盖,在世界各地建立了由13个跟踪站组成的台站网。“子午仪”和其它适宜的卫星是用这个跟踪台站网来跟踪的,并把数据传送给应用物理实验室进行分析。计算分析包括处理跟踪数据和计算地球重力场模型(以一个由几百个球谐项级数组成的表达式),这是一项繁重的任务。但是这项计算任务还是有收获的,因为使轨道预报误差减小至小于10米。

定位原理卫星不断播发偶数分钟开始时刻的轨道参数。卫星以7.3公里/秒的速度绕地球运转,与地面用户接收设备存在相对运动。接收设备测量多普勒频移。累计一段时间间隔里的多普勒周期数，称为多普勒计数。据此算出用户与卫星(在相邻2分钟的偶数分钟开始时刻所处位置)间的斜距差，这是实测数据。同时,根据用户假设位置（以经度纬度表示）也算出到卫星的斜距差。两个斜距差间存在差值说明假设位置不准，于是再算出修正量Δλ、Δφ。当Δλ、Δφ超过规定限差时,则在原假设经度纬度上加入修正量Δλ、Δφ作为新的假设位置。然后，再重复上述过程，直到算出的墹Δλ、Δφ都小于规定限差。此时，得出的位置就是利用“子午仪”导航卫星测定的用户位置。

信号格式为了补偿电离层折射引起的多普勒计数差值，“子午仪”卫星使用两个频率。卫星存储的全部数据对载频进行相位调制,每2分钟向地面发射一次导航信号,供用户使用。每批电文由字长39位的156个字加上19个附加位组成。每批电文共有6103个码位，每码位占用发送时间约20毫秒。每码位又由两个码元组成,分成正码元和负码元。 一个正码元后接一个负码元组成“1”码位，一个负码元后接正码元组成“0”码位（图2）。

卫星电文卫星电文每2分钟发送一批, 虽然含有156个字和一个19位的终止字，但供民用的只有25个字。它们所表示的都是轨道参数，其中8个字为变化参数,表示卫星轨道摄动变化量,每2分钟变换一次。其余17个字为固定参数(开普勒参数)，在12小时内重复发送并保持不变。17个字中有11个字用来确定轨道的平均椭圆，其余并不直接用于定位计算。它们变化很慢，用以预报几个月内卫星通过的时间（准确度达到几分钟以内）。其主要缺点为不能连续定位。

应用子午仪系统具有如下的,其它系统目前达不到的能力:

全球复盖、全天候工作、定位精度接近于短程无线电定位系统、不需要发射岸台。

因而它的应用范围甚广,设备类型的增长十分惊人。目前子午仪系统可以用于下述各方面的导航定位工作:陆地大地测量、渔船、私人游艇、商船(汕船,货船等)、水面舰艇、潜水舰艇、近海钻井设备、石油勘探船、海洋调查船、航道测量船、移动式浮标。5