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第一节 GPS的组成概况
一、GPS的建立
1. 子午卫星导航系统简介
航海早先的导航是利用罗盘、灯塔等仪表或设施 , 结合天文 现象 行的 。 陆基无线电导航系统覆盖区域小 , 定位精度低 (3.7 7.4km ), 难以适应现代航海的导航定位需要。
1957年10月4日 , 原苏联成功地发射了世界上第一颗人造地球 卫星 。美国霍普金斯大学应用物理实验室的韦芬巴赫
(G . C . We iffenbach) 等学者 , 在地面已知坐标点位上 , 用自 行研制的测量设备 , 捕获和跟踪到了苏联卫星发送的无线电信
号 , 并测得它的多普勒频移 , 进而解算出卫星轨道参数。
麦克雷(F . T . Meclure )等学者设想 , 若已知卫星轨道参数并 测得卫星发送信号的多普勒频移 , 则可解算出地面点的坐标。
这就是第一代卫星导航系统的基本工作原理。
第一节 GPS的组成概况
1958年12月 , 美国海军开始研制卫星导航系统 。 因为这些卫星 沿地球子午线运行 , 故称为子午卫星导航系统(TRANSIT) 。
1959年9月开始发射试验性子午卫星 , 1963年12月开始发射子
午工作卫星并逐步形成由六颗工作卫星组成的子午卫星星座。
从此揭开了星基无线电导航的历史新篇章 。 1967年7月29日 , 美 国政府宣布解密子午卫星所发送的导航电文的部分内容供民用。 从此 , 大地测量由天文测量和三角测量时代进入到卫星大地测 量时代 。 原苏联在美国的诱发下 , 于1965年建立了类似的子午 卫星导航系统 , 称为CICADA。
子午卫星导航系统有明显不足:
, 不能连续导航定位。
有5 6颗工作卫星 , 在低纬度地区 , 地面上一点所见到的两次子 午卫星通过的时间间隔约为1.5h , 通过用户上空的持续时间为 10~ 18min , 所以不能连续定位 。就大地测量而言 , 测站点上的 观测时间长达1~2天 , 才能达到0.5m的定位精度。
第一节 GPS的组成概况
其二是轨道低 , 难以精密定轨。
子午卫星平均飞行高度仅1070km , 地球引力场模型误差及空气 阻力等因素影响导致卫星定轨误差较大 。而卫星多普勒定位是 以卫星作为动态已知点进行的 , 致使定位精度局限在m级水平。
其三是载波频率低 , 难以补偿电离层的影响。
2. GPS全球定位系统的建立
1973年 , 美国国防部组织海陆空三军联合研究建立新一代卫星 导航系统 , 称为全球定位系统(Global Positioning System ), 简称GPS 。其建立过程到目前为止经历了以下四个阶段。
(1) 1973~ 1979年为概念构思分析测试阶段
发射了两颗概念验证卫星用于验证GPS原理可行性 。另外还发 射了一颗组网试验卫星 , 研制了三种类型的GPS接收机 , 建立 了一处卫星地面控制设施并完成了大量的测试项目。
第一节 GPS的组成概况
(2) 1980~ 1989年为系统建设阶段
发射了11颗组网试验卫星Block Ⅱ(其中一颗发射失败) 和1颗 工作卫星BlockⅡA , 进一步完善了地面监控系统 , 发展了GPS
接收机 。 1984年测量领域成为第一个GPS商用用户领域。
(3) 1990~ 1999年为系统建成并进入完全运作能力阶段
发射了多颗Block Ⅱ和Block ⅡA卫星 , 1993年实现24颗在轨卫 星满星座运行 , 满足民用的标准定位服务(100m) 的要求,
1995年实现了精密定位服务(10m) 。
(4) 2000~2030年为GPS现代化更新阶段。
1996年美国由国防部和交通部组成了联合管理GPS事务局
(IGEB) , 在IGEB的主持下于1997 , 1998年期间讨论了增加 GPS民用信号 , 从而改进民用GPS状况 , 并与空军已经开始的 计划相结合 , 形成了更新GPS运行要求的文献 , 并于1999年1 月由美国副总统戈尔以“GPS现代化 ”的名称发布通告 , 其具 体实施是以2000年5月1日取消SA政策为标志。
第一节 GPS的组成概况
二、GPS组成概况
GPS由空间卫星星座、地面监控系统和用户设备等三部分组成。
1.空间卫星星座
GPS空间卫星星座在1993年建成时由24颗卫星组成 , 目前有30 颗工作卫星 。这些卫星分布在6个轨道面上。
GPS卫星星座的主要特征
载波频率(GHz) 1.22760、 1.57542; 卫星平均高度20200 km;
卫星运行周期718 min; 轨道面倾
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