子午儀概述

GPS系統(tǒng)的前身為美軍研制的一種子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Transit)，1958年研制，64年正式投入使用。該系統(tǒng)用5到6顆衛(wèi)星組成的星網(wǎng)工作，每天最多繞過地球13次，并且無法給出高度信息，在定位精度方面也不盡如人意。然而，子午儀系統(tǒng)使得研發(fā)部門對衛(wèi)星定位取得了初步的經(jīng)驗，并驗證了由衛(wèi)星系統(tǒng)進行定位的可行性，為GPS系統(tǒng)的研制埋下了鋪墊。由于衛(wèi)星定位顯示出在導(dǎo)航方面的巨大優(yōu)越性及子午儀系統(tǒng)存在對潛艇和艦船導(dǎo)航方面的巨大缺陷。美國海陸空三軍及民用部門都感到迫切需要一種新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

為此，美國海軍研究實驗室(NRL)提出了名為Tinmation的用12到18顆衛(wèi)星組成10000km高度的全球定位網(wǎng)計劃，并于67年、69年和74年各發(fā)射了一顆試驗衛(wèi)星，在這些衛(wèi)星上初步試驗了原子鐘計時系統(tǒng)，這是GPS系統(tǒng)精確定位的基礎(chǔ)。而美國空軍則提出了621-B的以每星群4到5顆衛(wèi)星組成3至4個星群的計劃，這些衛(wèi)星中除1顆采用同步軌道外其余的都使用周期為24h的傾斜軌道 該計劃以偽隨機碼(PRN)為基礎(chǔ)傳播衛(wèi)星測距信號，其強大的功能，當信號密度低于環(huán)境噪聲的1%時也能將其檢測出來。偽隨機碼的成功運用是GPS系統(tǒng)得以取得成功的一個重要基礎(chǔ)。海軍的計劃主要用于為艦船提供低動態(tài)的2維定位，空軍的計劃能供提供高動態(tài)服務(wù)，然而系統(tǒng)過于復(fù)雜。由于同時研制兩個系統(tǒng)會造成巨大的費用而且這里兩個計劃都是為了提供全球定位而設(shè)計的，所以1973年美國國防部將2者合二為一，并由國防部牽頭的衛(wèi)星導(dǎo)航定位聯(lián)合計劃局(JPO)領(lǐng)導(dǎo)，還將辦事機構(gòu)設(shè)立在洛杉磯的空軍航天處。該機構(gòu)成員眾多，包括美國陸軍、海軍、海軍陸戰(zhàn)隊、交通部、國防制圖局、北約和澳大利亞的代表。

GPS系統(tǒng)的前身為美軍研制的一種子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)，1958年研制，1964年正式投入使用。該系統(tǒng)用5到6顆衛(wèi)星組成的星網(wǎng)工作，每天最多繞過地球13次，并且無法給出高度信息，在定位精度方面也不盡如人意。然而，子午儀系統(tǒng)使得研發(fā)部門對衛(wèi)星定位取得了初步的經(jīng)驗， 并驗證了由衛(wèi)星系統(tǒng)進行定位的可行性，為GPS系統(tǒng)的研制埋下了鋪墊。由于衛(wèi)星定位顯示出在導(dǎo)航方面的巨大優(yōu)越性及子午儀系統(tǒng)存在對潛艇和艦船導(dǎo)航方面的巨大缺陷。美國海陸空三軍及民用部門都感到迫切需要一種新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。為此，美國海軍研究實驗室提出了名為Tinmation的用12到18顆衛(wèi)星組成10000公里高度的全球定位網(wǎng)計劃，并于67年、69年和74年各發(fā)射了一顆試驗衛(wèi)星，在這些衛(wèi)星上初步試驗了原子鐘計時系統(tǒng)，這是GPS系統(tǒng)精確定位的基礎(chǔ)。

而美國空軍則提出了621-B的以每星群4到5顆衛(wèi)星組成3至4個星群的計劃，這些衛(wèi)星中除1顆采用同步軌道外其余的都使用周期為24h的傾斜軌道 該計劃以偽隨機碼（PRN）為基礎(chǔ)傳播衛(wèi)星測距信號，其強大的功能，當信號密度低于環(huán)境噪聲的１％時也能將其檢測出來。偽隨機碼的成功運用是GPS系統(tǒng)得以取得成功的一個重要基礎(chǔ)。海軍的計劃主要用于為艦船提供低動態(tài)的2維定位，空軍的計劃能供提供高動態(tài)服務(wù)，然而系統(tǒng)過于復(fù)雜。由于同時研制兩個系統(tǒng)會造成巨大的費用，而且這里兩個計劃都是為了提供全球定位而設(shè)計的，所以1973年美國國防部將2者合二為一，并由國防部牽頭的衛(wèi)星導(dǎo)航定位聯(lián)合計劃局（JPO）領(lǐng)導(dǎo)，還將辦事機構(gòu)設(shè)立在洛杉磯的空軍航天處。該機構(gòu)成員眾多，包括美國陸軍、海軍、海軍陸戰(zhàn)隊、交通部、國防制圖局、北約和澳大利亞的代表。

最初的GPS計劃在聯(lián)合計劃局的領(lǐng)導(dǎo)下誕生了，該方案將24個衛(wèi)星放置在互成120度的六個軌道上。每個軌道上有4個衛(wèi)星，地球上任何一點均能觀測到6至9個衛(wèi)星。這樣，粗碼精度可達100m，精碼精度為10m。 由于預(yù)算緊縮，GPS計劃得減少發(fā)射衛(wèi)星，改為將18個衛(wèi)星分布在互成60度的6個軌道上。然而這一方案不能確保衛(wèi)星可靠性。1988年又進行了最后一次修改：在互成30度的6條軌道上有21個運作衛(wèi)星和3個備份衛(wèi)星。這也是現(xiàn)在GPS衛(wèi)星所使用的工作方式。

GPS計劃的實施共分三個階段：

第一階段為方案論證和初步設(shè)計階段。

從1978年到1979年， 由位于加利福尼亞的范登堡空軍基地采用雙子座火箭發(fā)射4顆試驗衛(wèi)星，衛(wèi)星運行軌道長半軸為26560km，傾角64度。軌道高度20000km。這一階段主要研制了地面接收機及建立地面跟蹤網(wǎng)，結(jié)果令人滿意。

第二階段為全面研制和試驗階段。

從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆稱為BLOCK I的試驗衛(wèi)星，研制了各種用途的接收機。實驗表明，GPS定位精度遠遠超過設(shè)計標準，利用粗碼定位，其精度就可達14米。

第三階段為實用組網(wǎng)階段。

1989年2月4日第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，這一階段的衛(wèi)星稱為BLOCK II 和 BLOCK IIA。此階段宣告GPS系統(tǒng)進入工程建設(shè)狀態(tài)。1993年底使用的GPS網(wǎng)即（21+3）GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計劃更換失效的衛(wèi)星。

60年代初,美國在子午儀等衛(wèi)星上采用了雙頻測速作為衛(wèi)星定軌的主要手段( 400 MHz和150 MHz,頻率比為8∶ 3)。采用雙頻是為了消除電離層對超短波傳輸?shù)挠绊?。在采用雙頻測速的同時就實現(xiàn)了遙測射頻與雙頻信標的結(jié)合,星上遙測發(fā)射機亦是雙頻發(fā)射機,地面遙測接收機兼顧雙頻接收。這就大大簡化了星上設(shè)備和地面設(shè)備,而且減少了射頻的頻率數(shù)目,更有利于衛(wèi)星電磁兼容性。航天任務(wù)的迅速發(fā)展促使衛(wèi)星測控迅速發(fā)展。美國在60年代后期,研制了阿波羅統(tǒng)一測控系統(tǒng)和戈達德統(tǒng)一S波段測控系統(tǒng),完成了登月飛船及深空探測任務(wù);在70年代,歐洲也發(fā)展和采用了統(tǒng)一S波段測控系統(tǒng)。

我國在70年代初處于混亂的狀態(tài),缺乏統(tǒng)一的考慮,只能按照衛(wèi)星任務(wù)的需要,服從當時已有的分工體制來發(fā)展我國的衛(wèi)星測控。為中低軌道衛(wèi)星(包括返回衛(wèi)星)分別研制超短波遙測、超短波遙控、雙頻跟蹤測軌、雷達跟蹤測軌,致使星上天線數(shù)目增多,電磁兼容性問題復(fù)雜,使每一地面站都增加設(shè)備和人員。另外,還為靜止軌道通信衛(wèi)星研制了統(tǒng)一C波段測控系統(tǒng)。由于受到當時封閉的國際環(huán)境和技術(shù)的限制,測控的上行頻率采用4. 7 G Hz。這既不同于通信信道的上行頻率,也與國際上采用的通信衛(wèi)星測控頻率不一致,這就是"國內(nèi)C波段統(tǒng)一測控系統(tǒng)"。此系統(tǒng)用于我國80年代中期發(fā)射的通信衛(wèi)星。在90年代,我國發(fā)展了與國際接軌的"國際C波段統(tǒng)一測控系統(tǒng)"和" S波段統(tǒng)一測控系統(tǒng)"。對于中低軌道衛(wèi)星,直到80年代中期還發(fā)展了超短波測控系統(tǒng)( 847工程) ,它僅僅是將雙頻測速和遙測射頻合并(此系統(tǒng)即將停止使用)。自此,真正實現(xiàn)了衛(wèi)星的射頻綜合。