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导航定位卫星是在太空运行,组成导航卫星系统空间部分的人造地球卫星,通过播发无线电导航信号为地面、海洋、空中与空间用户提供高精度定位、导航与授时服务。

卫星导航的应用不仅涉及到军事,也提高和改变了现代战争,而且在民用领域,比如交通运输、基础设施建设、精细农业、通信与网络、金融保险、电力生产、海洋渔业、休闲旅游以及人们的日常生活,都发挥着非常重要的作用。

这么有用的导航定位卫星是怎么来的?它是如何发展成现在这样的呢?

1957年10月,苏联第一颗人造地球卫星。发射后,美国对该卫星信号进行了细致的观测。他们发现,精确已知观测站位置时,利用卫星信号的多普勒频移数据可以确定卫星的轨道;反之,精确已知卫星轨道时,通过测量卫星信号的多普勒频移,可以确定信号测量、接收装置的位置。

技术人员正在调整第一颗人造地球卫星斯普特尼克一号|

那时,美国装备北极星战略导弹的新型核动力潜艇需要全球导航定位功能,以实现定位。于是,便以此发现为契机,逐渐发展出了世界首个基于多普勒测速技术的卫星导航系统——子午仪导航卫星系统。

美国北极星战略导弹|

1959年9月,首颗子午仪卫星发射。但这次发射并没有取得成功。直到1964年9月,子午仪系统终于部署完成并交付美军使用。

首颗子午仪卫星Transit-0|

子午仪系统由空间段、控制段和用户段3部分组成。空间段包括5~6颗卫星,系统静态用户的二维定位精度约25m,海上航行船舶的典型定位精度约200~500m。美军使用子午仪系统时间长达32年。

而与子午仪导航卫星系统几乎同时开展的,还有苏联的多普勒测速导航卫星系统。由于技术原因,直到1976年苏联的多普勒测速导航卫星系统帆系统才交付海军使用。随后,又部署了帆系统的民用版本蝉系统。

帆卫星(左)和蝉卫星(右)|

尽管多普勒测速导航卫星系统成功应用,但它存在精度低,不能提供连续的导航、定位信息,且难以服务高动态用户的缺点。后来,时间测距导航定位理论的出现为实现全天时、全天候、高精度的卫星导航定位提供了理论支撑。

20世纪60年代末,美国分别启动了621B和导航星全球定位系统计划,后来合并为GPS计划。我们通常所说的GPS,就是从这里诞生的。

20世纪70年代末至20世纪80年代,美国和苏联在导航定位卫星上展开了激烈的竞争。1978年2月,美国成功发射首颗GPS卫星,1987年完成了卫星测试和系统组网工作,转入系统部署阶段。

第一代GPS卫星|

同一时期,苏联开展了格洛纳斯全球导航卫星系统的工作。1982年10月成功发射首颗格洛纳斯卫星,至1985年格洛纳斯系统试验、测试阶段完成,进入系统部署阶段,共发射卫星11颗。

格洛纳斯卫星|

20世纪90年代,是全球导航卫星系统发展的第一个黄金十年。1994年3月,24颗卫星组成的GPS系统空间段部署完成,1995年全面运行。格洛纳斯系统在1996年完成部署投入运行。欧洲也于1998年11月启动了伽利略自主导航卫星系统的方案论证工作。

伽利略-A卫星|

然而,由于政治、经济等因素,格洛纳斯系统投入运行后即陷入星座卫星数量不足的境地,星座卫星数量一度降到7颗,无法提供定位、导航与授时服务。

进入21世纪,全球导航卫星系统迎来了第二个黄金发展期。2000年,美国启动GPS系统现代化计划,进行GPS系统星座和地面控制段的现代化改进。截至2012年,美国GPS系统经现代化改进的卫星9颗。

GPS-2RM卫星|

2001年8月,俄罗斯决定恢复格洛纳斯系统并进行现代化改造。2011年2月,首颗现代化的格洛纳斯-K1-01卫星发射;2011年底,格洛纳斯系统全面恢复。

格洛纳斯-K卫星|

2002年3月,欧盟正式批准伽利略计划。伽利略系统是欧洲自主发展的全球导航卫星系统,是建立独立的卫星导航能力的重要项目。截至2012年,伽利略系统仍处于试验、验证阶段,已发射试验与验证卫星4颗。

伽利略-iov卫星|

日本与印度分别于2002年、2006年正式启动了区域导航卫星系统发展计划。日本首颗准天顶卫星于2010年9月成功发射,并提供服务。

准天顶卫星|

中国北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统。2000年初步建成北斗卫星导航试验系统。截止到2012年年底,已提供在亚太地区范围内的区域服务。预计2020年建成北斗全球系统,向全球提供服务。

北斗卫星导航系统|

更远的未来,脉冲星定位、导航与授时技术的发展值得期待,将使导航卫星系统不再依赖地面系统的控制与支持,实现导航卫星系统的自主运行,为人类探索更远的太空提供可靠的导航定位手段。

 

参考文献/《世界航天器大全》


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