文档介绍：第3章全球卫星定位系统及其应用
概论
GPS卫星定位系统的发展
六千多年以前,古波利尼西亚人就通过卫星测量地面点与天体的夹角,在推算天体位置的基础上,对远处的点进行导航定位。1957年10月世界上第一颗人造地球卫星发射成功,不仅为遥感调查地球资源提供最佳平台,而且由于卫星位置可以通过卫星轨道参数计算而得,为卫星定位系统准备了必要的条件。
目前世界上广泛采用的卫星定位系统是由美国研制并发射的“卫星授时与测距导航系统”(Navigation by Satellite Timing and Ranging Global Positioning System,NAVSTAR GPS),简称全球定位系统(GPS)。GPS从1973年开始研制,1978年2月发射第一颗试验卫星,到1994年3月发射第24颗工作卫星,1995年宣布达到全运行工作能力,历经20年,耗资300多亿美元。目前GPS已广泛应用于航空、航天、航海、陆上车辆、测绘、勘探、授时等民用领域和各种军用卫星、航天发射器、军用飞机、海面舰船、潜艇、地面军用车辆、步兵、炮兵、导弹阵地、洲际导弹、巡航导弹以及精确制导炸弹等军事领域。
世界上第一个卫星导航系统(海军导航卫星系统)出现于1964年1月,它是在美国海军授权下,由霍普金斯应用物理实验室开发,用于美国海军舰队导航与定位的卫星系统。由于该系统的卫星轨道均通过地极,因此常称为“子午卫星系统”。利用该卫星定位系统,不论在地球表面任何地方,在任何气候条件下,一小时内均能测定位置,其定位精度根据观测卫星的次数可高可低(1米 —500米)。因此该系统被誉为是一种简便可靠的全天候全球导航卫星系统。但是该系统也存在着较大的缺陷,如,卫星数目较少(约五个)而会出现卫星发送的无线电信号的突然间断,观测所需等待卫星出现的时间较长(约35-100分钟),以及高精度定位虽然可以达到1米,但需要40次以上的卫星观测(数天),且需要使用精密星历,等等。这些都不能满足当前实时、动态、精确的定位需要。因此,尽管子午卫星系统目前仍在运行中,美国海军已不再发射新的卫星,美国联邦无线电导航计划中已宣布将终止该系统的研制与应用。
1972年,美国海军卫星系统中出现了授时卫星系统,主要用于为地球上的不同点位提供精确时间及时间的转换,同时提供导航信息。在授时卫星系统上,首次采用了原子时钟标准(铷、铯),为GPS的高精度授时系列奠定了基础。
随着卫星技术的不断发展,卫星定位越来越受到人们的重视。1973年12月17日,美国国防部批准了建立新的卫星导航定位系统计划,即GPS。1978年第一颗试验卫星发射成功,1994年顺利完成了24颗卫星的布设。该系统不仅集成了以前所有的单用途卫星系统,并且致力于更广泛的用途。据前
GPS联合项目组主任Pakison称,最初的设计有两个目标:(1)在GPS定位的帮助下,五发炮弹可以穿过同一洞口,(2)建立廉价的导航设备(低于1万美元)。
GPS是美国继阿波罗登月计划和航天飞机之后的第三大空间工程,其实施共分三个阶段:(1)方案论证和初步设计阶段,从1973年到1979年,共发射了4颗试验卫星,研制了地面接收机及建立地面跟踪网,从硬件和软件上进行了试验,试验结果令人满意;(2)全面研制和试验阶段,从1979年到1984年,又陆续发射了7颗试验卫星,同时研制了各种用途的接收机;(3)实用组网阶段,1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功,宣告了GPS系统进入工程建设阶段,到1994年3月第24颗工作卫星发射,实用的GPS网即(21+3)GPS星座已经建成,今后将根据计划更换失效的卫星。
随着GPS定位和授时服务在军民应用中有了巨大的增长,GPS已成为美国信息基础的必备组成部分。为了提高GPS的性能,更好地满足军民用户的需求,同时应对俄罗斯GLONASS和欧洲卫星导航系统计划的竞争,保持美国在卫星导航领域的霸权地位,美国已决定对GPS进行现代化改进。1997年,由美国国防部、交通部、贸易部、农业部以及美国国家航空及航天局(NASA)成立了一个专门小组,收集军民用户的各种需求,确定了GPS系统相对这些需求的不足,提出了提高GPS服务的改进建议。GPS现代化将主要集中于提高GPS 的定位和授时精度、可用性、完好性监测能力以及提高信号的抗干扰能力。GPS现代化的第一个步骤是将于2003年在L2频率上提供民用信号。到时民用GPS用户将可利用L1和L2两个频率校正电离层延时误差。在2005年发射的GPS BLOCK ⅡF卫星上将加发第三民用信号,。2000年5月1日美国停止了GPS标准定位服务中的选择可用性(Selective Availability,SA)措施,民用用户的定位精度