子午儀衛星導航系統

子午儀衛星導航系統(Transit navigation satellite system)，是美國海軍的一種全球、全天候衛星導航定位系統,又稱海軍衛星導航系統。1964年研製成功並投入使用,1967年開始進入民用領域。這種系統利用地面用戶設備接收“子午儀“號衛星一次通過視界期間所發出的信號，就能獲得用戶的準確位置。1996年，“子午儀”衛星導航系統退出歷史舞台。

基本介紹

• 中文名：子午儀衛星導航系統
• 外文名：Transit navigation satellite system
• 性質：全天候衛星導航定位系統
• 別名：海軍衛星導航系統

簡介

1957年10月蘇聯第一顆人造衛星上天，在觀測衛星的過程中，美國霍普斯金套用物理實驗室科學家發現衛星運動引起的都卜勒頻移效應，斷言可以用來實現衛星導航。於是後來在60年代美國實施了子午儀（Transit）衛星導航系統，並取得了成功。它定點定位誤差在接收雙頻(400兆赫、150兆赫)信號時,約為0.025海里;接收單頻（400兆赫）信號時，約為0.05海里。因船速和天線高度數據不準，航行時的定位誤差還大一些。一般情況下，一節船速誤差會引入0.25海里定位誤差。授時準確度約25微秒，利用改進的“諾瓦”(NOVA)衛星可達3微秒。

美國的導航衛星主要有兩個系列，即“子午儀”導航衛星系統和導航星全球定位系統（GPS）。“子午儀”導航衛星60年代中期交付海軍使用，70年代以後執行改進計畫，並於80年代初發射用於取代“子午儀”衛星的“新星”導航衛星。“子午儀”導航衛星系統屬低軌道衛星系統，衛星運行於1100 公里左右的圓形極軌道上，利用都卜勒頻移和標準時間定位原理進行導航，具有全天候、全球導航的特點，能提供高精度的經度、緯度兩維定位數據，但不能進行連續實時導航，平均兩次定位間隔時間為35～100分鐘，有時最長可達10小時，全球用戶一般每隔一個半小時便可利用衛星定位一次。“子午儀”衛星重63公斤，壽命5年，定位精度50米，工作頻率150～400兆赫，傾角為89°～90°，周期為100～107分鐘，利用6顆衛星以鳥籠狀形式環繞地球運行，組成衛星導航網路。

實用型“子午儀”號衛星（NOVA）

系統組成：“子午儀”衛星導航系統由衛星網、地面跟蹤站、計算中心、注入站、美國海軍天文台和用戶接收設備等6部分組成。①衛星網：使用4～5顆衛星,均為近極軌道。衛星軌道約1000公里,運行周期約107分鐘。衛星上的主要設備有：注入信號接收機、存儲器、高穩定石英晶體振盪器、導航信號發射器、天線和太陽電池等。②地面跟蹤站：共4個，各由定向天線跟蹤衛星,接收從衛星發來的信號並進行解調，進行記錄並將數據連同時間修正量傳送到計算中心。③計算中心：根據各跟蹤站送來的數據，計算出每顆衛星未來16小時內在世界時偶數分鐘開始時刻的位置，即衛星固定軌道參數和可變軌道參數，經編碼後送往注入站。④注入站：對數據進行存儲，數據注入每12小時進行一次，以替代衛星中原存的數據，並修正衛星上的時間信號。⑤美國海軍天文台：接收衛星在偶數分鐘時刻的時間同步信號，與世界時比對後，將時差值送入計算中心，使衛星、跟蹤站、計算中心、注入站和用戶設備的時間同步。⑥用戶接收設備：分雙頻道和單頻道兩種，前者用於定位準確度要求高的場合，後者用於一般場合。

子午儀號導航衛星軌道參數預報的相對精度優於5米，絕對精度優於 10 米，導航定位精度一般為20～50米。

發展歷程

1957年10月4日前蘇聯發射了第一顆人造地球衛星後，美國在跟蹤它的過程中，無意發現了在收到的無線電信號時出現都卜勒頻率轉移效應，就是在衛星飛近地面接收機時，收到的信號頻率逐漸升高；而飛過以後，頻率就逐漸降低。

這種現象使他們認識到，衛星的運行軌跡可由衛星通過時所測得的都卜勒頻移曲線來確定。反之，如果知道了衛星的精確軌跡，就能夠確定接收機的位置。正是由於這一有趣而科學的發現，竟然揭開了人類利用人造衛星進行導航定位的新紀元。

子午儀導航系統組網

1958年，美國為解決北極星核潛艇在深海航行和執行軍事任務而需要精確定位的問題，開始研製軍用導航衛星系統，命名為“子午儀計畫”，從1960年4月到80年代初共發射30多顆。第一顆是“子午儀1B”號，用來對導航衛星方案及其關鍵技術進行試驗鑑定，並驗證雙頻都卜勒測速定位導航原理。1963年12月發射第一顆實用導航衛星“子午儀5B-2”號；1964年6月發射第一顆定型導航衛星“子午儀5C-1”號，並交付海軍使用；1967年7月“子午儀”衛星導航系統組網實用並允許民用。1972年開始執行“子午儀”改進計畫（TIP），共發射3顆衛星，主要試驗擾動補償系統，大大提高了軌道預報精度。1981 年5月發射經過改進的實用型“子午儀”號衛星（NOVA）；1996年，“子午儀”衛星導航系統退出歷史舞台。

起動的第一次試驗。“子午儀一IB”是一顆直徑為0.91米的圓球形衛星,重量121公斤,大部分重量都是化學蓄電池,還安裝了少量的太陽電池。衛星是由同地球的地磁場相作用的磁鐵系統穩定的。紅外地球敏感器監視著衛星通過磁鐵系統和“喲一喲”重物釋放系統的消旋情況。有效載荷是由兩個穩定振盪器和兩個工作在162/216兆赫及54/324兆赫的雙頻發射機組成。螺旋開縫天線裝在球面上。這顆星的軌道雖然低於原設計的高度,但還是能夠證明在用蓄電池供電的三個月期間內,超穩定振盪器在空間環境中的工作是成功的。第二次發射成功的“子午儀一ZA”是電子鐘首次飛行試驗的衛星。這顆星比起前一顆帶有更多的太陽電池,但蓄電池少了。這樣,在利用同樣運載火箭的情況下,省下的重量足以再裝載一顆子衛星。這是第一次成功地同時發射兩顆衛星,並為本計畫樹立了先例。後來的大多數雷神一艾布爾星運載火箭至少都可裝載兩顆衛星。最後一次是在1956年8月發射的,那次至少裝有7顆衛星。“子午儀一ZA”,除裝有導航設備外,還為加拿大裝了一台測定宇宙無線電噪聲的儀器。這樣,“子午儀”衛星便首次成為國際性衛星了。“子午儀一3A”,在一次發射的不幸事故中而告吹。這次失敗,由於火箭碎片墜落徉古巴,砸死了一頭母牛而引起了一場另一種性質的國際性事件。它的備用星“子午儀一3B”也是多災多難的。這顆星與子衛星,同運載火箭艾布爾星連在一起未能分離,呆在低軌道上。但在衛星墜入大氣層隕毀之前的一個月內,做了小型磁性存貯器系統工作性能的鑑定,同時也為美國陸軍測地計畫“西可爾”(Sceor)的轉發器做了第一次飛行試驗。

“子午儀4A”和“一4B”是圓柱形而非球狀的衛星。用這兩顆星作了磁心存貯器兩種備用設計方案的試驗,還裝有改進型的振盪第一顆衛星只花了七個月的時間就設計好並裝了出來。很不幸,這顆衛星沒打成功,這是由於其運載火箭的第三級點火失靈引起的。但事過幾個月,備用星“子午儀一IB”用雷神一艾布爾星作運載,在卡納維拉爾角發射成功了。這次發射還附帶地作了火箭發動機在太空中的器,並把162/216兆赫的發射機換成工作頻段150/400兆赫的發射機,後來的實用衛星就是採用這兩個頻段的。這兩顆星也是第一次利用空間核能源的衛星。該能源“SNAP一3B”,是一种放射性同位素熱電發生器(RTG)S,星上所貼的太陽電池比起前面幾顆都多得多。同“子午儀一4B”一起發射的子衛星稱為“特雷爾克”(Tarac),打算作為試驗實用衛星的重力梯度姿控系統之用。然而,這次發射只取得了部分成功,因為20米長的穩定桿沒有完全伸出去。在理論上,衛星就像一個在桿的末端裝有重物的線輪一樣“懸掛”著,以此保持衛星的一端始終指向地球,這樣,星上就可以採用定向天線。結果,在幾個月的軌道運行中,“特雷爾克”只是粗略地獲得了姿態方面的修正。而“子午儀一4B”以在空間運行十年以上的時間,創造了一項新的記錄。但是,“子午儀一4B”和“特雷爾克”衛星,由於星上太陽電池受到“星魚”高空核爆炸試驗的輻照損傷,於1962年7月運行中止了。雖然,這些發射是“子午儀”計畫中初期的研究和發展,但是,“子午儀”技術,已經在“安娜”、“探險者”和測地衛星系列中開花結果了,並且改進的“子午儀”衛星,也為美國國防部裝載了許多科學試驗儀器。

同衛星研製工作齊頭並進的一項計畫,皆在得到高精度的地球重力場模型。這項工作一直延續到現在還在做。為得到在軌道上運行的一顆衛星實際上的連續覆蓋,在世界各地建立了由13個跟蹤站組成的台站網。“子午儀”和其它適宜的衛星是用這個跟蹤台站網來跟蹤的,並把數據傳送給套用物理實驗室進行分析。計算分析包括處理跟蹤數據和計算地球重力場模型(以一個由幾百個球諧項級數組成的表達式),這是一項繁重的任務。但是這項計算任務還是有收穫的,因為使軌道預報誤差減小至小於10米。

定位原理

衛星不斷播發偶數分鐘開始時刻的軌道參數。衛星以7.3公里/秒的速度繞地球運轉,與地面用戶接收設備存在相對運動。接收設備測量都卜勒頻移。累計一段時間間隔里的都卜勒周期數，稱為都卜勒計數。據此算出用戶與衛星(在相鄰2分鐘的偶數分鐘開始時刻所處位置)間的斜距差，這是實測數據。同時,根據用戶假設位置（以經度緯度表示）也算出到衛星的斜距差。兩個斜距差間存在差值說明假設位置不準，於是再算出修正量Δλ、Δφ。當Δλ、Δφ超過規定限差時,則在原假設經度緯度上加入修正量Δλ、Δφ作為新的假設位置。然後，再重複上述過程，直到算出的墹Δλ、Δφ都小於規定限差。此時，得出的位置就是利用“子午儀”導航衛星測定的用戶位置。

信號格式

為了補償電離層折射引起的都卜勒計數差值，“子午儀”衛星使用兩個頻率。衛星存儲的全部數據對載頻進行相位調製,每2分鐘向地面發射一次導航信號,供用戶使用。每批電文由字長39位的156個字加上19個附加位組成。每批電文共有6103個碼位，每碼位占用傳送時間約20毫秒。每碼位又由兩個碼元組成,分成正碼元和負碼元。 一個正碼元後接一個負碼元組成“1”碼位，一個負碼元後接正碼元組成“0”碼位（圖2）。

子午儀衛星信號的調製格式

衛星電文

衛星電文每2分鐘傳送一批, 雖然含有156個字和一個19位的終止字，但供民用的只有25個字。它們所表示的都是軌道參數，其中8個字為變化參數,表示衛星軌道攝動變化量,每2分鐘變換一次。其餘17個字為固定參數(克卜勒參數)，在12小時內重複傳送並保持不變。17個字中有11個字用來確定軌道的平均橢圓，其餘並不直接用於定位計算。它們變化很慢，用以預報幾個月內衛星通過的時間（準確度達到幾分鐘以內）。其主要缺點為不能連續定位。

套用

子午儀系統具有如下的,其它系統目前達不到的能力:

全球復蓋、全天候工作、定位精度接近於短程無線電定位系統、不需要發射岸台。

因而它的套用範圍甚廣,設備類型的增長十分驚人。目前子午儀系統可以用於下述各方面的導航定位工作:陸地大地測量、漁船、私人遊艇、商船(汕船,貨船等)、水面艦艇、潛水艦艇、近海鑽井設備、石油勘探船、海洋調查船、航道測量船、移動式浮標。