[科普中國]-“導(dǎo)航星”全球定位系統(tǒng)

發(fā)展歷程研發(fā)背景

“子午儀”導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)高掛太空，給數(shù)以千艘船舶指明航向，可惜美中不足，不能全球、連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度地給運(yùn)動(dòng)物體導(dǎo)航，也不能提供高度和速度信息，而且不能為空中的飛機(jī)導(dǎo)航。

1973年12月，美國國防部又制訂了一個(gè)“導(dǎo)航星”全球定位系統(tǒng)(GPS)的國防導(dǎo)航衛(wèi)星計(jì)劃，建立一個(gè)供各軍種使用的統(tǒng)一的全球軍用導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。

“導(dǎo)航星”全球定位系統(tǒng)是美國國防部在海、空軍1960年4月“子午儀”導(dǎo)航衛(wèi)星研究成果的基礎(chǔ)理論上發(fā)展而來的。1978年開始發(fā)射和建設(shè)，至1993年整個(gè)系統(tǒng)部署完畢。這種新式導(dǎo)航系統(tǒng)能快速、連續(xù)地為車、船、飛機(jī)以及導(dǎo)彈武器提供高精度三維位置、速度和時(shí)間的信息，實(shí)現(xiàn)近乎實(shí)時(shí)的導(dǎo)航。一次定位僅需幾秒到幾十秒即可完成。1

發(fā)展到目前為止共有4代“導(dǎo)航星”全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星，分別為“布洛克I號(hào)”、“布洛克II/HA號(hào)”、“布洛克IIR號(hào)”和“布洛克IIF號(hào)”。其中，“布洛克I號(hào)”衛(wèi)星用來檢驗(yàn)GPS系統(tǒng)和空間導(dǎo)航技術(shù)的功效。從這11顆“布洛克I號(hào)”衛(wèi)星的操作中得出的經(jīng)驗(yàn)對(duì)之后的設(shè)計(jì)有很大幫助。

“布洛克II號(hào)”和“IIA號(hào)”衛(wèi)星構(gòu)成了第一組衛(wèi)星星群。“布洛克HA號(hào)”衛(wèi)星重達(dá)2 175磅(990千克)，位于特殊設(shè)計(jì)的近1．26萬英里(2．02萬千米)高空的圓形軌道中。這些衛(wèi)星均于卡納維拉爾角由德爾它II型運(yùn)載火箭送入軌道。其設(shè)計(jì)工作年限約為7年半。

“布洛克IIR號(hào)”在之前的布洛克衛(wèi)星基礎(chǔ)上有了顯著的改進(jìn)j可以與其他“布洛克IIR號(hào)”衛(wèi)星進(jìn)行衛(wèi)星間測距，從而確定其自身位置。布洛克IIR號(hào)衛(wèi)星重約2 370磅(1 080千克)，設(shè)計(jì)工作年限為10年。在“布洛克Ⅱ號(hào)”和“IIA號(hào)”達(dá)到工作年限之后，“ILR號(hào)”便會(huì)將其代替。2004年11月6日，德爾它n型運(yùn)載火箭成功地將“IIRl3號(hào)”衛(wèi)星從卡納維拉爾角送入軌道。

經(jīng)過改進(jìn)后，“布洛克IIR—M號(hào)”衛(wèi)星被用來以L1和L2頻道發(fā)送新的軍事信號(hào)，并以L2頻道發(fā)送較強(qiáng)的民事信號(hào)。通過GPS裝置，這種新的軍事信號(hào)為美國軍隊(duì)提供了更強(qiáng)、更有效的信號(hào)。

第四代GPS導(dǎo)航衛(wèi)星“布洛克IIF號(hào)”重達(dá)3 439磅(1 563千克)。除具有前三代布洛克的全部功能外，IIF號(hào)還進(jìn)行了一些改進(jìn)。其工作年限延長為12年，增加了內(nèi)存空間，并提高了信號(hào)處理速度。此外，“IIF號(hào)”還增加了一種新的民事信號(hào)，其頻率也增加為3種。美國空軍計(jì)劃于2007年發(fā)射第一顆“布洛克唧號(hào)”衛(wèi)星。其運(yùn)載火箭為德爾它IV號(hào)或是改進(jìn)后的宇宙神V號(hào)。

1995年4月27日，美國空軍司令部正式宣布GPS衛(wèi)星星群已經(jīng)具備完全工作能力。其24顆工作衛(wèi)星(“布洛克II”和“IIA號(hào)”)能夠在其制定軌道中正常工作，對(duì)其軍事能力的檢驗(yàn)也已圓滿結(jié)束。

對(duì)現(xiàn)有的GPS系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)可以降低其受到的人為干擾，并且可以在保證軍事應(yīng)用的同時(shí)提高其民用能力。升級(jí)內(nèi)容包括更新強(qiáng)度、更高的民事信號(hào)和軍事信號(hào)。對(duì)軍用用戶終端設(shè)備的改進(jìn)有利于將人為干擾降至最低，并且能夠在戰(zhàn)爭環(huán)境中保護(hù)GPS系統(tǒng)。2

工作原理“導(dǎo)航星”全球定位系統(tǒng)的工作原理是計(jì)算衛(wèi)星發(fā)射機(jī)和地球上接收機(jī)之間的距離。如果同時(shí)接收來自3顆衛(wèi)星的信號(hào)，把接收每一信號(hào)的時(shí)間記下來，利用已知的無線電傳播速度，就能計(jì)算出接收機(jī)所在的位置，然后以每一衛(wèi)星到接收機(jī)的距離為半徑，以衛(wèi)星為中心，作一個(gè)球體，這樣，對(duì)3顆衛(wèi)星可以作出3個(gè)球體，這3個(gè)球體的交點(diǎn)就是接收機(jī)的所在位置。不過，要作精確的計(jì)算，時(shí)間上必須嚴(yán)格同步，不然，1微秒的誤差，會(huì)造成300米的定位誤差。為此，利用一個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星來授時(shí)，這樣接收機(jī)同時(shí)接收來自4顆導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)，也就是說至少要使4顆導(dǎo)航衛(wèi)星同時(shí)出現(xiàn)在接收機(jī)的視場范圍之內(nèi)，使接收機(jī)能“看得見”，才能“聽得到”。不論在地球上哪一個(gè)角落，要求任何時(shí)刻都能同時(shí)收到4顆導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)，才能精確地定位。1

系統(tǒng)組成“導(dǎo)航星”全球定位系統(tǒng)的組成簡稱3大部分：空間、控制和用戶。

空間部分空間部分包括18顆衛(wèi)星，它似18個(gè)“勇士”，在太空充當(dāng)“向?qū)А?。它們均勻分布?個(gè)軌道平面上，軌道傾角為53度，軌道高約2萬千米，周期12小時(shí)，保證任何用戶最低能連續(xù)看到4顆衛(wèi)星。這就是，任何時(shí)候太空都有18個(gè)“勇士”中的4位以上，可以為潛艇、船只或地面車輛等充當(dāng)“向?qū)А薄?/p>

“導(dǎo)航星”的星重分別是，I型約460千克，Ⅱ型衛(wèi)星比I型衛(wèi)星約大1/3，重為787千克，分別以1575兆赫和1228兆赫頻率向地球發(fā)送信號(hào)。1

控制部分控制部分由一個(gè)主控站、一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸站和四個(gè)監(jiān)控站組成，主要任務(wù)是跟蹤并保證衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。1

用戶設(shè)備用戶設(shè)備主要由天線、接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理裝置和顯示裝置等組成。接收機(jī)接收4顆衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航信號(hào)，數(shù)據(jù)處理裝置對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以獲得用戶所在三維位置(空間位置)、速度和時(shí)問數(shù)據(jù)，并可以換成用戶所需地理坐標(biāo)系或其他坐標(biāo)系表示的位置數(shù)據(jù)，在顯示裝置上顯示。1

任務(wù)主要作用其主要任務(wù)是使海上艦船、空中飛機(jī)、地面用戶及目標(biāo)、近地空間飛行的導(dǎo)彈以及衛(wèi)星和飛船實(shí)現(xiàn)各種天氣條件下連續(xù)實(shí)時(shí)的高精度三維定位和速度測定，還可用于大地測量和高精度衛(wèi)星授時(shí)等?！皩?dǎo)航星”全球定位系統(tǒng)取中高度圓軌道，采用雙頻偽隨機(jī)噪聲測距導(dǎo)航體制。系統(tǒng)由18顆實(shí)用衛(wèi)星和 3顆備用衛(wèi)星組成，均勻分布在6個(gè)軌道面內(nèi)，高度約2萬公里,傾角為63°?！皩?dǎo)航星”衛(wèi)星在軌道上的重量,Ⅰ型約460公斤(圖1 )，Ⅱ型為787公斤(圖2 )?！皩?dǎo)航星”衛(wèi)星的主要專用設(shè)備有:高穩(wěn)定 度原子鐘──銣鐘、銫鐘和氫鐘,頻率穩(wěn)定度分別為1×10-12、1×10-13、1×10-14；導(dǎo)航電文存貯器用以存貯地面注入的衛(wèi)星星歷表、授時(shí)參數(shù)、傳播延遲參數(shù)、衛(wèi)星狀態(tài)信息和識(shí)別信息以及粗捕獲碼轉(zhuǎn)到精確碼的時(shí)間同步信息;雙頻發(fā)射機(jī)用以發(fā)射L波段微波信號(hào)，頻率為1575.42兆赫(L1)和1227.60兆赫(L2)，導(dǎo)航信號(hào)用精確碼和粗捕獲碼進(jìn)行調(diào)制，兩種碼共用L1和L2通道。長精確碼7天重復(fù)一次,供精確定位用（精度10米左右）；短捕獲碼1毫秒重復(fù)一次,供快速捕獲和粗略定位用（精度 100米左右）。用戶接收導(dǎo)航信號(hào)的功率電平為-160～-166分貝瓦。實(shí)用“導(dǎo)航星”衛(wèi)星還裝有單通道衛(wèi)星通信轉(zhuǎn)發(fā)器和探測秘密核試驗(yàn)的敏感器。

軍用價(jià)值全球定位系統(tǒng)有較高的軍用價(jià)值，定位精度可達(dá)十幾米左右,測速精度優(yōu)于0.1米/秒，授時(shí)精度優(yōu)于1微秒；民用時(shí)定位精度一般為100米左右。

“導(dǎo)航星”全球定位系統(tǒng)能為地面車輛、軍事人員充當(dāng)“向?qū)А?，也能為航空、航海、航天等范圍?nèi)的飛機(jī)、艦艇、潛艇、衛(wèi)星、航天飛機(jī)等進(jìn)行導(dǎo)航和定位，它不僅給出飛機(jī)等每時(shí)每刻的地理坐標(biāo)，而且還給出飛機(jī)等的飛行的高度和速度。飛行萬里的洲際導(dǎo)彈也能借助導(dǎo)航星進(jìn)行制導(dǎo)，以提高命中目標(biāo)的精度。顯然，“導(dǎo)航星”將進(jìn)一步提高巡航導(dǎo)彈和類似武器的制導(dǎo)精度，遙控飛機(jī)也將受益匪淺。它更廣泛地應(yīng)用于投彈和武器發(fā)射、照相偵察、照相制圖和大地測量、飛機(jī)著陸導(dǎo)航、空中交會(huì)、加油、空投和空運(yùn)、航空交通控制和指揮、火炮的定位和射擊、靶場試驗(yàn)和測量、反潛戰(zhàn)、布雷、掃雷、船只位置保持、搜索和營救工作等，凡是需要精確定位的部門，都將是導(dǎo)航衛(wèi)星的服務(wù)對(duì)象。如美國海軍的一艘大型軍艦，在能見度很低的情況下，利用“導(dǎo)航星”成功地沿一條僅有32．2米寬的航道駛出圣地亞哥港。一架F-4S飛機(jī)，在一次利用“導(dǎo)航星”把炸彈投擲到離目標(biāo)只有3～6米近處。1