GPS测量原理及其应用 – 绪论（四）笔记

目录

• 1. 子午卫星系统（Transit）的局限性
• 2. 子午卫星系统的实际应用与问题
• 3. 全球定位系统（GPS）的产生与发展
• 4. GPS 的研制与管理（JPO）
• 5. GPS 系统的建设里程碑（IOC 与 FOC）
• AI 总结

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1. 子午卫星系统（Transit）的局限性 原片 @ 00:00*

Screenshot-[00:00]

1.1 低轨道卫星的轨道特性与几何图形

• 运动速度快：低轨道卫星相对于地面运动速度快，多普勒频移效应明显。
• 几何图形优势：
  • 在相同的地表距离下，低轨道卫星对地面的张角（几何角度）变化较大。
  • 几何图形性（Geometry）：希望张角变化越大越好，因为较大的角度变化意味着更好的几何图形强度，有利于提高定位精度。
  • 相比之下，高轨道卫星在长时间观测内方向变化极小，不适合利用多普勒频移进行定位。

1.2 低轨道卫星（Transit）的固有缺陷

• 观测时间短：
  • 一颗卫星从升起到落下仅有几分钟到十几分钟（约18分钟全程，有效观测时间更短）。
  • 不像 GPS 卫星可以连续观测数小时。
  • 用户必须频繁更换观测的卫星。
• 大气阻力（Atmospheric Drag）影响大：
  • 这是所有卫星轨道摄动因素中最难处理的部分。
  • 由于低轨道离地面近，大气密度随高度和地点变化复杂，难以建立精确的大气模型。
  • 在60-70年代，大气阻力是影响低轨卫星轨道预测精度的主要误差源（现在已有加速度计或无拖曳卫星技术解决，但当时是难题）。

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2. 子午卫星系统的实际应用与问题 原片 @ 02:44*

Screenshot-[02:44]

2.1 动态定位的困难（推算定位）

• 非瞬时定位：子午卫星系统定位需要观测卫星飞过的一段过程（约8-10分钟），而非像 GPS 那样瞬间定位。
• 归算问题：
  • 用户（如船只）在观测过程中是移动的。
  • 定位算法需要将所有观测数据归算到一个中间时刻。
  • 归算依赖于用户自身的速度和航向信息。
• 误差积累：
  • 如果观测时间过长，船只受风、洋流等因素影响，推算的位置（Dead Reckoning）误差会增大。
  • 这也导致了定位精度的降低，限制了其在动态导航中的应用。

2.2 覆盖间隙与非连续性

• 设计初衷：美国海军最初设计该系统是为了给惯性导航系统（INS）提供间断性的修正（每隔几小时一次），而非连续导航。
• 轨道面进动导致的分布不均：
  • 理想状态：6个轨道面均匀分布，每隔1.5-2小时可见一颗卫星。
  • 实际情况：由于轨道倾角不可能严格一致（例如一个是 $89^\circ 59’$，一个是 $90^\circ$），受动力学影响，轨道面进动方向和速度不同。
  • 后果：经过一段时间，轨道面会“扎堆”或拉开。最坏情况下，用户可能需要等待 6到8小时 才能等到下一颗卫星。
• 结论：对于没有惯导系统的普通用户（如空军或民用），这种非连续、有长间隙的系统几乎无法作为主导航手段使用。

2.3 在大地测量中的应用

• 虽然导航性能不佳，但曾用于静态大地测量。
• 单点定位精度：单次卫星通过的定位精度约为 5米。
• 高精度测量方法：
  • 需要观测约 100次 卫星通过（耗时约一周）。
  • 精度可达 0.5米 – 1米。
• 联测（Translocation）：
  • 两台接收机近距离同步观测。
  • 相对定位精度可达 10cm – 15cm。
  • 曾用于地铁建设（如北京、广州地铁）的地面控制网布设，但效率极低（需等待卫星预报）。

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3. 全球定位系统（GPS）的产生与发展 原片 @ 11:53*

Screenshot-[11:53]

3.1 从多普勒测速到距离测量

• 子午卫星系统的根本缺陷在于依赖连续的多普勒频移积分，且需要较长时间形成良好的几何图形。
• 新一代系统（GPS）的核心变革：用距离测量（Ranging）代替距离差测量（多普勒）。
  • 通过测量信号传播时间来测定距离。
  • 可以实现瞬时定位，不再需要长时间积分。

3.2 系统的命名演变

• 最初名称：Navigation System with Timing and Ranging (NAVSTAR)。
  • 含义：利用授时和测距进行导航的系统。
• 全称：NAVSTAR Global Positioning System。
• 通称：后来简化为 GPS (Global Positioning System)。

3.3 两大前身计划

1. 海军的 Timation 计划：
   • 核心贡献：提出了使用原子钟（Atomic Clock）来提高时间测量精度。
   • 发射了试验卫星，验证了高精度授时的可行性。
2. 空军的 621B 计划：
   • 核心贡献：提出了使用伪随机噪声码（PRN Code / Ranging Code）进行测距。
   • 改变了传统的脉冲测距方式，利用测距码极大地提高了长波时间测量的精度。

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4. GPS 的研制与管理（JPO） 原片 @ 16:17*

Screenshot-[16:38]

4.1 联合计划办公室（JPO）的成立

• 美国国防部（DoD）决定不分别资助海军和空军各自建系统，而是合并资源。
• JPO (Joint Program Office)：负责 GPS 系统的研制、组建和管理。
• 技术融合：
  • 采用了海军的原子钟技术。
  • 采用了空军的测距码技术。
  • 结合两者优点构成了 NAVSTAR GPS。

4.2 参与部门

• 军方：美国海军、空军、陆军、海军陆战队。
• 政府机构：国防制图局（DMA）、海岸警卫队、交通部（DOT）。
• 国际盟友：北约（NATO）国家、澳大利亚等。

4.3 研制周期与成本

• 时间：历时约 20年（从1973年立项到1993/1995年建成）。
• 经费：说法不一，大约在 200亿 – 300亿美元 之间。
• 过程：经历多次推迟，从最初预计的80年代中期推迟到90年代中期。

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5. GPS 系统的建设里程碑（IOC 与 FOC） 原片 @ 19:05*

Screenshot-[19:25]

这是本节课需要重点记忆的两个关键时间点：

5.1 初步工作能力（IOC – Initial Operational Capability）

• 时间：1993年12月8日。
• 标准：
  • 天空中有 24颗 卫星。
  • 组成：包含试验卫星（Block I）和工作卫星（Block II/IIA）。
  • 能力：在全球任何时间、任何地点，至少能观测到 4颗 GPS卫星，具备了基本的3D定位能力。

5.2 完全工作能力（FOC – Full Operational Capability）

• 时间：1995年4月27日。
• 标准：
  • 24颗全功能工作卫星（不包含试验卫星）。
  • 原本的试验卫星被正式的工作卫星完全取代。
  • 标志着 GPS 系统正式建成并投入全面使用。

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AI 总结

本讲座深入探讨了卫星导航技术从第一代子午卫星系统（Transit）向第二代全球定位系统（GPS）的演变过程。首先，详细分析了低轨道卫星系统（Transit）的局限性，包括观测时间短、大气阻力影响大、无法连续定位以及轨道进动导致的覆盖盲区，这些缺陷使其无法满足高动态用户的需求。

随后，课程介绍了 GPS 的诞生背景，它融合了美国海军 Timation 计划的原子钟技术和空军 621B 计划的伪随机码测距技术，由联合计划办公室（JPO）统一研制。最后，重点强调了 GPS 建设的两个关键里程碑：1993年12月8日实现初步工作能力（IOC，混合卫星星座）和 1995年4月27日实现完全工作能力（FOC，全工作卫星星座），标志着现代卫星导航时代的正式开启。