子午衛星系統及其局限性

1. 子午衛星系統

2. 1957年10月，世界上第一顆人造地球衛星成功發射，科學家開始著手進行衛星定位和導航的研究工作。美國詹斯·霍普金斯大學應用物理實驗室的吉爾博士和魏芬巴哈博士對該衛星發射的無線電信號的多普勒頻移進行的研究表明，利用地面跟蹤站上的多普勒測量資料可以精確確定衛星軌道；同時，另外兩位科學家麥克盧爾博士和克什納博士的研究表明，如果對一顆軌道已被準確確定的衛星進行多普勒測量，則可以確定用戶的位置。這些工作為子午衛星系統的誕生奠定了必要基礎，當時美國海軍正在尋求一種可對北極星潛艇中的慣性導航系統進行不間斷地精確修正的方法，所以積極資助應用物理實驗室開展深人的研究。1958年12月，在美國海軍的資助下，詹斯·霍普金斯大學應用物理實驗室研制了為美國軍用艦艇導航服務的衛星系統，即海軍導航衛星系統（Navy Navigation SatelliteSystem,NNSS），在該系統中，衛星的軌道都通過地極，故也稱為子午（Transit）衛星系統。

子午衛星系統是美國海軍研制、開發、管理的第一代衛星導航定位系統，該系統采用多普勒測量的方法來進行導航和定位。1959年9月，美國發射了第一顆試驗性衛星，到1961年11月，先后發射了9顆試驗性導航衛星。經過幾年試驗研究，解決了衛星導航的許多技術問題。從1963年12月起，陸續發射了由6顆衛星組成的子午衛星星座，1964年，該系統建成并投入使用。該系統軌道接近圓形，衛星高度為1100km，軌道傾角為90°左右，周期約為107min，位于中緯度地區的用戶，平均每隔l.5h便可觀測到其中一顆衛星。1967年7月，該系統解密后提供民用，用戶數量激增，最終達95000個用戶，其中軍方用戶只有650個，不足總數的1%。

2.子午衛星系統的局限性雖然采用多普勒測量的方法建立起來的子午衛星系統在衛星導航定位的發展中具有里程碑的意義，但該系統也存在明顯的缺點，主要表現為：

（1）無法提供實時、動態定位。

由于該系統衛星數目較少（5~6顆），因而從地面站觀測所需等待衛星出現的時間較長（平均約1.5h），無法提供連續的實時定位，難以充分滿足軍事方面，尤其是高動態目標（如飛機、導彈、衛星等）導航的要求，也無法滿足汽車等運行軌跡較為復雜的地面車輛導航定位的需要。

（2）定位速度慢。

利用子午衛星進行測量時，由于衛星數目少，大部分時間都是在等待衛星，真正的觀測時間不足20%，限制了作業效率。為獲得對大地測量有意義的成果，一般需觀測50~100次合格的衛星通過，歷時一星期左右。

（3）定位精度低。

子午衛星運行高度較低（平均約1100km），屬于低軌衛星，衛星運行時受地球重力場模型誤差和大氣阻力等攝動因素的誤差影響很大，通常只能獲得分米級至米級的定位精度；同時，還受到信號頻率、衛星鐘等其他因素的影響，所以該系統在大地測量學和地球動力學研究方面的應用也受到了很大的限制。

2GPS的產生和發展由于子午衛星系統存在上述缺點，為了滿足軍事部門和民用部門對實時和三維導航的迫切要求，1973年，美國國防部便開始組織海、陸、空三軍，共同研究建立新一代的衛星導航系統一—授時與測距導航系統/全球定位系統（Navigation System Timing and Ranging Global Positioning System,NAVSTAR/GPS），通常簡稱為全球定位系統（GPS）。

目前，GPS作為全球唯一保持正常運行的衛星導航定位系統，已在軍事、交通運輸、測繪、高精度時間比對、土地利用規劃及資源調查等領域中得到了廣泛的應用，為測繪領域帶來了一場深刻的技術革命。