子午儀衛星導航系統

子午儀衛星導航系統

來自 北斗衛星導航系統 的圖片

中文名 ：子午儀衛星導航系統 性 質 ：全天候衛星導航定位系統 別 名 ：海軍衛星導航系統

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。

目錄

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，美國霍普斯金應用物理實驗室科學家發現衛星運動引起的多普勒頻移效應，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准，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劃，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，利用多普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，組成衛星導航網絡。

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多普勒頻率轉移效應，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多普勒頻移曲線來確定。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。

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。接收設備測量多普勒頻移。累計一段時間間隔里的多普勒周期數，稱為多普勒計數。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准，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多普勒計數差值，「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，每碼位占用發送時間約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。

衛星電文

衛星電文每2分鐘發送一批，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(開普勒參數)，在12小時內重複發送並保持不變。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。

應用

子午儀系統具有如下的，其它系統目前達不到的能力:

全球覆蓋、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。

因而它的應用範圍甚廣，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。