“導航星”全球定位系統

“ 導航星”全球定位系統從1978年2月到1980年4月共發射6顆，取中高度圓軌道，採用雙頻偽隨機噪聲測距導航體制。主要任務是使海上艦船、空中飛機、地面用戶及目標、近地空間飛行的飛彈以及衛星和飛船實現各種天氣條件下連續實時的高精度三維定位和速度測定，還可用於大地測量和高精度衛星授時等。全球定位系統有較高的軍用價值，定位精度可達十幾米左右，測速精度優於0.1米/秒，授時精度優於1微秒；民用時定位精度一般為100米左右。

基本介紹

• 中文名：“導航星”全球定位系統
• 外文名：Navstar global positioning system
• 隸屬：美國國防導航衛星系列
• 國別：美國

發展歷程

研發背景

“子午儀”導航衛星系統高掛太空，給數以千艘船舶指明航向，可惜美中不足，不能全球、連續、實時、高精度地給運動物體導航，也不能提供高度和速度信息，而且不能為空中的飛機導航。

1973年12月，美國國防部又制訂了一個“導航星”全球定位系統(GPS)的國防導航衛星計畫，建立一個供各軍種使用的統一的全球軍用導航衛星系統。

“導航星”全球定位系統是美國國防部在海、空軍1960年4月“子午儀”導航衛星研究成果的基礎理論上發展而來的。1978年開始發射和建設，至1993年整個系統部署完畢。這種新式導航系統能快速、連續地為車、船、飛機以及飛彈武器提供高精度三維位置、速度和時間的信息，實現近乎實時的導航。一次定位僅需幾秒到幾十秒即可完成。

發展

到目前為止共有4代“導航星”全球定位系統衛星，分別為“布洛克I號”、“布洛克II/HA號”、“布洛克IIR號”和“布洛克IIF號”。其中，“布洛克I號”衛星用來檢驗GPS系統和空間導航技術的功效。從這11顆“布洛克I號”衛星的操作中得出的經驗對之後的設計有很大幫助。

“布洛克II號”和“IIA號”衛星構成了第一組衛星星群。“布洛克HA號”衛星重達2 175磅(990千克)，位於特殊設計的近1．26萬英里(2．02萬千米)高空的圓形軌道中。這些衛星均於卡納維拉爾角由德爾它II型運載火箭送入軌道。其設計工作年限約為7年半。

“布洛克IIR號”在之前的布洛克衛星基礎上有了顯著的改進j可以與其他“布洛克IIR號”衛星進行衛星間測距，從而確定其自身位置。布洛克IIR號衛星重約2 370磅(1 080千克)，設計工作年限為10年。在“布洛克Ⅱ號”和“IIA號”達到工作年限之後，“ILR號”便會將其代替。2004年11月6日，德爾它n型運載火箭成功地將“IIRl3號”衛星從卡納維拉爾角送入軌道。

經過改進後，“布洛克IIR—M號”衛星被用來以L1和L2頻道傳送新的軍事信號，並以L2頻道傳送較強的民事信號。通過GPS裝置，這種新的軍事信號為美國軍隊提供了更強、更有效的信號。

第四代GPS導航衛星“布洛克IIF號”重達3 439磅(1 563千克)。除具有前三代布洛克的全部功能外，IIF號還進行了一些改進。其工作年限延長為12年，增加了記憶體空間，並提高了信號處理速度。此外，“IIF號”還增加了一種新的民事信號，其頻率也增加為3種。美國空軍計畫於2007年發射第一顆“布洛克唧號”衛星。其運載火箭為德爾它IV號或是改進後的宇宙神V號。

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

對現有的GPS系統進行升級可以降低其受到的人為干擾，並且可以在保證軍事套用的同時提高其民用能力。升級內容包括更新強度、更高的民事信號和軍事信號。對軍用用戶終端設備的改進有利於將人為干擾降至最低，並且能夠在戰爭環境中保護GPS系統。

工作原理

“導航星”全球定位系統的工作原理是計算衛星發射機和地球上接收機之間的距離。如果同時接收來自3顆衛星的信號，把接收每一信號的時間記下來，利用已知的無線電傳播速度，就能計算出接收機所在的位置，然後以每一衛星到接收機的距離為半徑，以衛星為中心，作一個球體，這樣，對3顆衛星可以作出3個球體，這3個球體的交點就是接收機的所在位置。不過，要作精確的計算，時間上必須嚴格同步，不然，1微秒的誤差，會造成300米的定位誤差。為此，利用一個導航衛星來授時，這樣接收機同時接收來自4顆導航衛星的信號，也就是說至少要使4顆導航衛星同時出現在接收機的視場範圍之內，使接收機能“看得見”，才能“聽得到”。不論在地球上哪一個角落，要求任何時刻都能同時收到4顆導航衛星的信號，才能精確地定位。

系統組成

“導航星”全球定位系統的組成簡稱3大部分：空間、控制和用戶。

空間部分

空間部分包括18顆衛星，它似18個“勇士”，在太空充當“嚮導”。它們均勻分布在6個軌道平面上，軌道傾角為53度，軌道高約2萬千米，周期12小時，保證任何用戶最低能連續看到4顆衛星。這就是，任何時候太空都有18個“勇士”中的4位以上，可以為潛艇、船隻或地面車輛等充當“嚮導”。

“導航星”的星重分別是，I型約460千克，Ⅱ型衛星比I型衛星約大1/3，重為787千克，分別以1575兆赫和1228兆赫頻率向地球傳送信號。

控制部分

控制部分由一個主控站、一個數據傳輸站和四個監控站組成，主要任務是跟蹤並保證衛星導航數據準確無誤。

用戶設備

用戶設備主要由天線、接收機、數據處理裝置和顯示裝置等組成。接收機接收4顆衛星傳送的導航信號，數據處理裝置對數據進行處理，以獲得用戶所在三維位置(空間位置)、速度和時問數據，並可以換成用戶所需地理坐標系或其他坐標系表示的位置數據，在顯示裝置上顯示。

任務

主要作用

其主要任務是使海上艦船、空中飛機、地面用戶及目標、近地空間飛行的飛彈以及衛星和飛船實現各種天氣條件下連續實時的高精度三維定位和速度測定，還可用於大地測量和高精度衛星授時等。“導航星”全球定位系統取中高度圓軌道，採用雙頻偽隨機噪聲測距導航體制。系統由18顆實用衛星和 3顆備用衛星組成，均勻分布在6個軌道面內，高度約2萬公里,傾角為63°。“導航星”衛星在軌道上的重量,Ⅰ型約460公斤(圖1 )，Ⅱ型為787公斤(圖2 )。“導航星”衛星的主要專用設備有:高穩定 度原子鐘──銣鐘、銫鐘和氫鐘,頻率穩定度分別為1×10^-12、1×10^-13、1×10^-14；導航電文存貯器用以存貯地面注入的衛星星曆表、授時參數、傳播延遲參數、衛星狀態信息和識別信息以及粗捕獲碼轉到精確碼的時間同步信息;雙頻發射機用以發射L波段微波信號，頻率為1575.42兆赫(L1)和1227.60兆赫(L2)，導航信號用精確碼和粗捕獲碼進行調製，兩種碼共用L1和L2通道。長精確碼7天重複一次,供精確定位用（精度10米左右）；短捕獲碼1毫秒重複一次,供快速捕獲和粗略定位用（精度 100米左右）。用戶接收導航信號的功率電平為-160～-166分貝瓦。實用“導航星”衛星還裝有單通道衛星通信轉發器和探測秘密核試驗的敏感器。

“導航星”全球定位系統

軍用價值

全球定位系統有較高的軍用價值，定位精度可達十幾米左右,測速精度優於0.1米/秒，授時精度優於1微秒；民用時定位精度一般為100米左右。

“導航星”全球定位系統

“導航星”全球定位系統能為地面車輛、軍事人員充當“嚮導”，也能為航空、航海、航天等範圍內的飛機、艦艇、潛艇、衛星、太空梭等進行導航和定位，它不僅給出飛機等每時每刻的地理坐標，而且還給出飛機等的飛行的高度和速度。飛行萬里的洲際飛彈也能藉助導航星進行制導，以提高命中目標的精度。顯然，“導航星”將進一步提高巡航飛彈和類似武器的制導精度，遙控飛機也將受益匪淺。它更廣泛地套用於投彈和武器發射、照相偵察、照相製圖和大地測量、飛機著陸導航、空中交會、加油、空投和空運、航空交通控制和指揮、火炮的定位和射擊、靶場試驗和測量、反潛戰、布雷、掃雷、船隻位置保持、搜尋和營救工作等，凡是需要精確定位的部門，都將是導航衛星的服務對象。如美國海軍的一艘大型軍艦，在能見度很低的情況下，利用“導航星”成功地沿一條僅有32．2米寬的航道駛出聖地亞哥港。一架F-4S飛機，在一次利用“導航星”把炸彈投擲到離目標只有3～6米近處。