[科普中国]-“导航星”全球定位系统

发展历程研发背景

“子午仪”导航卫星系统高挂太空，给数以千艘船舶指明航向，可惜美中不足，不能全球、连续、实时、高精度地给运动物体导航，也不能提供高度和速度信息，而且不能为空中的飞机导航。

1973年12月，美国国防部又制订了一个“导航星”全球定位系统(GPS)的国防导航卫星计划，建立一个供各军种使用的统一的全球军用导航卫星系统。

“导航星”全球定位系统是美国国防部在海、空军1960年4月“子午仪”导航卫星研究成果的基础理论上发展而来的。1978年开始发射和建设，至1993年整个系统部署完毕。这种新式导航系统能快速、连续地为车、船、飞机以及导弹武器提供高精度三维位置、速度和时间的信息，实现近乎实时的导航。一次定位仅需几秒到几十秒即可完成。1

发展到目前为止共有4代“导航星”全球定位系统卫星，分别为“布洛克I号”、“布洛克II/HA号”、“布洛克IIR号”和“布洛克IIF号”。其中，“布洛克I号”卫星用来检验GPS系统和空间导航技术的功效。从这11颗“布洛克I号”卫星的操作中得出的经验对之后的设计有很大帮助。

“布洛克II号”和“IIA号”卫星构成了第一组卫星星群。“布洛克HA号”卫星重达2 175磅(990千克)，位于特殊设计的近1．26万英里(2．02万千米)高空的圆形轨道中。这些卫星均于卡纳维拉尔角由德尔它II型运载火箭送入轨道。其设计工作年限约为7年半。

“布洛克IIR号”在之前的布洛克卫星基础上有了显著的改进j可以与其他“布洛克IIR号”卫星进行卫星间测距，从而确定其自身位置。布洛克IIR号卫星重约2 370磅(1 080千克)，设计工作年限为10年。在“布洛克Ⅱ号”和“IIA号”达到工作年限之后，“ILR号”便会将其代替。2004年11月6日，德尔它n型运载火箭成功地将“IIRl3号”卫星从卡纳维拉尔角送入轨道。

经过改进后，“布洛克IIR—M号”卫星被用来以L1和L2频道发送新的军事信号，并以L2频道发送较强的民事信号。通过GPS装置，这种新的军事信号为美国军队提供了更强、更有效的信号。

第四代GPS导航卫星“布洛克IIF号”重达3 439磅(1 563千克)。除具有前三代布洛克的全部功能外，IIF号还进行了一些改进。其工作年限延长为12年，增加了内存空间，并提高了信号处理速度。此外，“IIF号”还增加了一种新的民事信号，其频率也增加为3种。美国空军计划于2007年发射第一颗“布洛克唧号”卫星。其运载火箭为德尔它IV号或是改进后的宇宙神V号。

1995年4月27日，美国空军司令部正式宣布GPS卫星星群已经具备完全工作能力。其24颗工作卫星(“布洛克II”和“IIA号”)能够在其制定轨道中正常工作，对其军事能力的检验也已圆满结束。

对现有的GPS系统进行升级可以降低其受到的人为干扰，并且可以在保证军事应用的同时提高其民用能力。升级内容包括更新强度、更高的民事信号和军事信号。对军用用户终端设备的改进有利于将人为干扰降至最低，并且能够在战争环境中保护GPS系统。2

工作原理“导航星”全球定位系统的工作原理是计算卫星发射机和地球上接收机之间的距离。如果同时接收来自3颗卫星的信号，把接收每一信号的时间记下来，利用已知的无线电传播速度，就能计算出接收机所在的位置，然后以每一卫星到接收机的距离为半径，以卫星为中心，作一个球体，这样，对3颗卫星可以作出3个球体，这3个球体的交点就是接收机的所在位置。不过，要作精确的计算，时间上必须严格同步，不然，1微秒的误差，会造成300米的定位误差。为此，利用一个导航卫星来授时，这样接收机同时接收来自4颗导航卫星的信号，也就是说至少要使4颗导航卫星同时出现在接收机的视场范围之内，使接收机能“看得见”，才能“听得到”。不论在地球上哪一个角落，要求任何时刻都能同时收到4颗导航卫星的信号，才能精确地定位。1

系统组成“导航星”全球定位系统的组成简称3大部分：空间、控制和用户。

空间部分空间部分包括18颗卫星，它似18个“勇士”，在太空充当“向导”。它们均匀分布在6个轨道平面上，轨道倾角为53度，轨道高约2万千米，周期12小时，保证任何用户最低能连续看到4颗卫星。这就是，任何时候太空都有18个“勇士”中的4位以上，可以为潜艇、船只或地面车辆等充当“向导”。

“导航星”的星重分别是，I型约460千克，Ⅱ型卫星比I型卫星约大1/3，重为787千克，分别以1575兆赫和1228兆赫频率向地球发送信号。1

控制部分控制部分由一个主控站、一个数据传输站和四个监控站组成，主要任务是跟踪并保证卫星导航数据准确无误。1

用户设备用户设备主要由天线、接收机、数据处理装置和显示装置等组成。接收机接收4颗卫星发送的导航信号，数据处理装置对数据进行处理，以获得用户所在三维位置(空间位置)、速度和时问数据，并可以换成用户所需地理坐标系或其他坐标系表示的位置数据，在显示装置上显示。1

任务主要作用其主要任务是使海上舰船、空中飞机、地面用户及目标、近地空间飞行的导弹以及卫星和飞船实现各种天气条件下连续实时的高精度三维定位和速度测定，还可用于大地测量和高精度卫星授时等。“导航星”全球定位系统取中高度圆轨道，采用双频伪随机噪声测距导航体制。系统由18颗实用卫星和 3颗备用卫星组成，均匀分布在6个轨道面内，高度约2万公里,倾角为63°。“导航星”卫星在轨道上的重量,Ⅰ型约460公斤(图1 )，Ⅱ型为787公斤(图2 )。“导航星”卫星的主要专用设备有:高稳定 度原子钟──铷钟、铯钟和氢钟,频率稳定度分别为1×10-12、1×10-13、1×10-14；导航电文存贮器用以存贮地面注入的卫星星历表、授时参数、传播延迟参数、卫星状态信息和识别信息以及粗捕获码转到精确码的时间同步信息;双频发射机用以发射L波段微波信号，频率为1575.42兆赫(L1)和1227.60兆赫(L2)，导航信号用精确码和粗捕获码进行调制，两种码共用L1和L2通道。长精确码7天重复一次,供精确定位用（精度10米左右）；短捕获码1毫秒重复一次,供快速捕获和粗略定位用（精度 100米左右）。用户接收导航信号的功率电平为-160～-166分贝瓦。实用“导航星”卫星还装有单通道卫星通信转发器和探测秘密核试验的敏感器。

军用价值全球定位系统有较高的军用价值，定位精度可达十几米左右,测速精度优于0.1米/秒，授时精度优于1微秒；民用时定位精度一般为100米左右。

“导航星”全球定位系统能为地面车辆、军事人员充当“向导”，也能为航空、航海、航天等范围内的飞机、舰艇、潜艇、卫星、航天飞机等进行导航和定位，它不仅给出飞机等每时每刻的地理坐标，而且还给出飞机等的飞行的高度和速度。飞行万里的洲际导弹也能借助导航星进行制导，以提高命中目标的精度。显然，“导航星”将进一步提高巡航导弹和类似武器的制导精度，遥控飞机也将受益匪浅。它更广泛地应用于投弹和武器发射、照相侦察、照相制图和大地测量、飞机着陆导航、空中交会、加油、空投和空运、航空交通控制和指挥、火炮的定位和射击、靶场试验和测量、反潜战、布雷、扫雷、船只位置保持、搜索和营救工作等，凡是需要精确定位的部门，都将是导航卫星的服务对象。如美国海军的一艘大型军舰，在能见度很低的情况下，利用“导航星”成功地沿一条仅有32．2米宽的航道驶出圣地亚哥港。一架F-4S飞机，在一次利用“导航星”把炸弹投掷到离目标只有3～6米近处。1