子午卫星系统为什么不能三维导航(卫星导航系统利用导航卫星提供几维方位信息)

GPS发展史：子午（Transit）卫星系统

1957年10月4日，前苏联成功发射了世界上第一颗名为Sputnik的人造地球卫星，由此揭开了人类利用卫星来开发导航、定位系统的序幕。

对于这种通过测量卫星信号的多普勒频移来推算卫星运行轨道的做法，当时同在约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的F.McClure博士提出了相应的逆命题。他认为， 如果卫星的运行轨道是已知的，那么根据卫星信号的多普勒频移测量值，我们反过来能推算出地面上这一测量点的位置。

1958年，美国北极星核潜艇服役，美国海军为解决潜艇在深海航行和执行军事任务而需要精确定位的问题，决定研究、开发基于多普勒频移的 海军导航卫星系统（NNSS） ，并于1960年4月发射了该系统的第一颗导航卫星。从1960年4月到80年代初共发射30多颗。第一颗是“子午仪1B”号，用来对导航卫星方案及其关键技术进行试验鉴定，并验证双频多普勒测速定位导航原理。1963年12月发射第一颗实用导航卫星“子午仪5B-2”号；1964年6月发射第一颗定型导航卫星“子午仪5C-1”号，并交付海军使用；1967年7月“子午仪”卫星导航系统组网实用并允许民用。1972年开始执行“子午仪”改进计划（TIP），共发射3颗卫星，主要试验扰动补偿系统，大大提高了轨道预报精度。1981 年5月发射经过改进的实用型“子午仪”号卫星（NOVA）。因为所有海军导航卫星系统中6颗卫星的运行轨道全部都通过地极，所以它又称为 子午（Transit）卫星系统 。

子午卫星系统 星座 由6颗卫星组成，部署在6个轨道面，轨道面夹角60 ，轨道高度为950~1075km，轨道周期107min。每颗卫星的轨道均为近圆轨道，轨道倾角为90 ，卫星轨道面与地球子午面平行。为了消除 电离层 产生的误差，子午卫星系统在150MHz和400MHz两个频率播发导航信号，单颗卫星的地面覆盖区域为宽3000~3500km的带状区域。地球上同一地点每天可观测到同一颗卫星4次，6颗卫星即可保证24次定位。

“子午仪”卫星运行在高度约1100公里的近圆极轨道，目的是为了避免多普勒效应减弱。它们在轨道面上均匀分布组成围绕地球的空间导航网，六颗卫星在轨道上的配置似鸟笼形状。它可为全球任何地方的水下潜艇、水面船只、地面车辆和空中飞机等用户服务，用户每隔1.5小时左右就可以接收每颗卫星以150兆赫与400兆赫频率连续播送的无线电信号。地球上的用户根据发送的信号，便可以确切地知道卫星在太空轨道上的位置。人们根据多普勒效应，用计算机就能确定出地球上运动体（如潜艇等）所在的位置。这样，即使潜艇在浩瀚的海洋水下航行，时时刻刻都能知道自己在何处，在大海深处航行数月也不会迷失方向。

地球上的用户，利用“子午仪”导航卫星发送的无线电信号来确定自己所在的位置，一颗卫星的定位精度在20~ 50米。如果在一天内把数颗卫星飞越30多次的数据都收集起来，然后进行平均计算，可以把定位误差减小到最小，这样就可以把定位精度提高到几米。总体性能方面，“子午仪”系统用于军事导航的定位精度为6米左右，通过多次定位可达2米以内。子午仪导航系统可以全天候导航，导航信号覆盖全球；导航精度优于以前任何系统。但不能定高度、速度，不能连续实施导航。

不能连续导航对于用户来说实在麻烦，固定地点采用卫星多次飞越的数据来提高定位精度，显然是一个很好的办法。但是对于航行在水中的潜艇、水面的船舶，它们的导航接收机安在活动的艇、船上，还必须精确地知道它们航行的速度，否则，定位精度将会大大降低。对于翱翔在空中的飞机，由于在两次导航定位的时间间隔内，飞行距离可达1000公里以上，显然，不能用“子午仪”导航卫星来进行导航，而需要研制更先进的导航卫星系统。

子午卫星系统是世界上第一个成功运行的卫星导航系统，它能提供精度较低的二维定位，并且每次定位的时间长达30~110分钟。 尽管这个为核潜艇开发的定位系统具有诸多弊端，如无法确定高度信息，定位时间长，无法连续导航，无法提供高度信息，难于修正电离层延迟误差等，但对比传统定位方式已经是一场革命了。

子午卫星系统于1996年宣告结束 ，然而该系统中的许多构思对后来的GPS系统的开发相当重要，有些甚至被直接应用于GPS。

为了满足军方和民用领域对连续、实时、精确导航的需求，美国国防部（DoD）于1973年4月提出了研究、创建第一代卫星导航与定位系统的计划，并由空军上校B.Parkinson博士出人这个项目的办公室主任。他充分发挥自己的学术背景与游说技能，召集多方人士，综合各种思想，最终于1973年12月提出了一个可以让美国军方接受的方案。这个方案就是 授时与测距导航系统/全球定位系统（NAVSTAR/GPS） ，通常简称为 全球定位系统（GPS） ,它是一个基于人造卫星、面向全球的全天候无线电定位、定时系统。

和早期的“子午仪”相比，GPS提高了卫星的数量，定位精度大为提高。另外GPS可提供实时导航，大大方便了飞行器和舰船的应用。同时GPS解决了“子午仪”不能提供高度数据的缺陷，当GPS接收器能锁定4颗卫星信号的时候，便可提供实时的高度数据。除了传统的导航用途外，GPS还可以提供较为精确的移动信息和时间校正功能。

子午仪卫星导航系统有哪些部分？

“子午仪”卫星导航系统由卫星网、地面跟踪站、计算中心、注入站、美国海军天文台和用户接收设备六部分组成。

卫星网由4～5个卫星组成，卫星轨道在赤道上空约1075千米处，卫星以7.3千米/秒的速度绕地球旋转，运行周期约107分钟。卫星网仿佛是一个“鸟笼”，地球在其中旋转，每当卫星在地平线上空出现一次，就有一次定位的机会。

地面跟踪站一共有4个。每个站都由定向天线来跟踪卫星，接收从卫星发来的信号并进行处理、记录，然后将数据连同时间修正量传送到计算中心。

计算中心根据每个跟踪站传送来的数据，计算出每颗卫星未来16小时内在格林尼治时间偶数分钟开始时刻的位置，经编码后送往注入站。

注入站对数据进行存储。每12小时进行一次数据注入，用来替代卫星中原来所存的数据，并对卫星上的时间信号作修正。

海军天文台接收卫星在偶数分钟时刻的时间同步信号，与格林尼治时间对比后，把时差值输入计算中心，以实现卫星、跟踪站、计算中心、注入站和用户设备的时间同步。

“子午仪”卫星导航系统能覆盖全球，但该系统也有缺点：不能瞬时连续定位，定位的时间间隔平均为35～100分钟；定位误差为40～80米，用户本身的速度也会引起较大的定位误差；它只提供二维(经度与纬度)数据。因此它还不能适应高速航行的需要。因此到90年代后期该系统关闭了。

为了满足现代军事导航的需要，在70年代，美国就开始研制一种可连续定位、精度更高的卫星导航系统“导航星”全球定位系统，它是目前最重要的卫星导航系统之一。

卫星导航的原理

卫星导航的原理为：

1、多普勒测速定位：“子午仪”卫星导航系统采取这种方法。用户定位设备根据从导航卫星上接收到的信号频率与卫星上发送的信号频率之间的多普勒频移测得多普勒频移曲线。

2、时间测距导航定位：“导航星”全球定位系统采用这种体制。用户接收设备精确测量由系统中 不在同一平面的4颗卫星发来信号的传播时间，然后完成一组包括 4个方程式的模型数学运算，就可算出用户位置的三维坐标以及用户钟与系统时间的误差。

扩展资料：

卫星导航的分类：

1、北斗导航

北斗卫星导航系统想象图北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统（BDS），是继美全球定位系统（GPS）和俄GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。系统由空间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力。

2、GPS导航

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS 。

参考资料来源：百度百科-卫星导航