舰艇卫星导航
ship satellite navigation
iianting weixing daohang
舰艇卫星导航
舰艇上利用人造地球卫星来确定舰位和有关导航参数的技术。可在全球范围或局部区域内实现全天候、高精度定位导航。卫星导航系统能与通信、授时、搜索营救、气象服务等组成多功能的综合系统。舰艇卫星导航的应用范围，已从为舰船导航扩大为陆上、空中、空间的航行体导航定位，并已广泛应用于武器使用、大地测量等领域。
发展概况 1957年10月4日，苏联成功地发射世界上第一颗人造地球卫星后，美国约翰·霍普金斯大学的研究人员，通过对该卫星的无线电信号频率的分析发现，跟踪测量已知空间坐标的卫星信号的多普勒频移，可确定观测点的位置。1958年，美国海军和约翰·霍普金斯大学对卫星导航进行研究。1964年，美国建成世界上第一个实用的卫星导航系统，定名为“海军导航卫星系统”(NNSS)，亦称“子午仪”卫星导航系统。主要用于为核潜艇提供全天候定位。1967年美国宣布“子午仪”卫星导航系统对民用开放。利用“子午仪”卫星导航系统，可在全球范围内实现2维导航定位，航行定位精度0．1～0．5海里。缺点是不能实时定位和定位精度不高。1973年，美国开始研制新的“导航星”全球定位系统(GPS)，至1994年3月9日共发射24颗卫星，至此，“导航星”全球定位系统全部建成。GPS能在全球范围内连续地进行3维定位，定位精度比“子午仪”系统提高一个数量级。20世纪70年代，苏联建成与“子午仪”系统相类似的“奇卡达”卫星导航系统；80年代初期起苏联开始部署类似GPS的“格罗纳斯”全球卫星导航系统。1995年完成组网。其他一些国家和国际组织从经济利益和军事需要出发，也在进行卫星导航的研究和试验。
卫星导航系统构成 卫星导航系统由导航卫星、地面站、舰上接收设备3部分组成(见图)。
卫星导航系统构成示意图
导航卫星 专门用于导航定位的人造地球卫星。是卫星导航系统的重要组成部分。系统中的卫星数量、轨道高度、配置方式、卫星上的装备、均视具体的导航方案、精度要求和服务对象而定。导航卫星所在的轨道高度，通常分为近地轨道(900～2700千米)，中高度轨道(13000～20000千米)和同步高度轨道(22000～48000千米)3类，导航卫星接收、储存地面站注入的导航信息，并将导航信息播发给用户。卫星还接收来自地面站的控制指令，和向地面站发射卫星的遥测数据。
地面站 是测量和预报卫星轨道，以及控制卫星设备工作的地面综合设备。“导航星”全球定位系统的地面站，包括监测站、主控站和注入站。监测站共设5个，在卫星临空时收集卫星播发的有关信息，对卫星进行连续监控，收集当地气象数据，并把收集的数据送往主控站。主控站设置1个，配备有精密原子种，提供“导航星”全球定位系统的时间基准，处理由各监测站送来的数据，编制各卫星的星历表，计算各卫星的原子钟钟差，以及电离层、对流层校正参量等。卫星偏离预定位置过远时，控制其轨道，使其回到设定的位置，卫星失效时，调用备用卫星取代失效的卫星。注入站共设3个，定时向卫星发送由主控站送来的新的导航等信息。
舰上接收设备 接收卫星信号，测量和显示舰位、航速、时间等信息的专用导航设备(见卫星导航仪)。
卫星导航定位原理 按测量导航参数的几何定位原理，分为多普勒测距定位和时间测距定位。时间测距又分被动时间测距定位和主动时间测距定位。
多普勒测距定位 利用测量卫星信号多普勒频移实现定位导航的方法。卫星在轨道上运行，以固定频率连续发射信号，由于卫星相对于舰艇作高速运动，舰上接收到的卫星信号频率同卫星发射的信号频率之间产生多普勒频移。多普勒频移是接收频率和卫星发射频率每秒相差的相位周数，它和距离变化率相关。把某一段时间内一共差多少个相位周，用计数的办法累计出来，称为多普勒计数或多普勒频移积分值。卫星导航仪接收卫星信号，根据信号电文提供的卫星星历，计算确定卫星位置，根据测量到的多普勒计数值，得到计数开始和终止时，卫星和卫星导航仪间的距离差。多普勒计数开始和终止时卫星的两个位置，可看作为空间两定点。与空间两定点距离差为一定值的轨迹，是以这两个定点为焦点的旋转双曲面，曲面与地球面相交的曲线是舰艇的位置线。卫星每次飞临上空时，可以测到多条位置线，从而获得精确的舰位。“子午仪”卫星导航系统采用这种体制。
时间测距定位 舰艇上卫星导航仪通过测量观测点与卫星之间的信号传播时间计算距离进行定位。卫星在轨道上运行，连续发射信号。舰艇上用卫星导航仪接收信号，可计算求得卫星发射信号时的位置并根据信号传播时间，乘以光速，求得卫星到舰艇的距离。测距的精度取决于测时的精度。装备有精密钟的卫星导航仪，测量3颗卫星的距离，以3颗卫星为中心，以所测的距离为半径，作3个球面，球面交点就是观测点的三维位置。装备非精密钟的卫星导航仪，测量距离时，存在着因时钟误差引起的距离偏差，测到的距离称为伪距离，需要测4颗卫星的伪距离，建立4个方程组，解算出观测点的三维位置和卫星导航仪的时钟偏差，测3颗卫星的伪距离，可确定舰艇的二维(经度、纬度)位置。从理论上讲，利用一颗卫星、顺序测得3个以上卫星位置点的距离，亦可确定观测点的位置。此种采用被动接收卫星信号的定位方法称为卫星被动时间测距定位。“导航星”全球定位系统采用这种体制。如果用户设备除被动接收卫星信号外还主动发射信号测量观测点与卫星之间的距离进行定位，则称为卫星主动时间测距定位。在上空布设两颗卫星，地面站通过卫星向所有用户接收机发射询问信号。用户需要定位时，在收到询问信号后，立即主动发出有识别代码的应答信号，再经卫星返回地面站。地面站根据信号传播时间，求得观测点到2颗卫星的距离，计算出观测点二维位置，计算结果经卫星输送给用户设备。如果卫星导航系统用3颗卫星转发信号，可直接算出观测点的三维位置。
实用的卫星导航系统 20世纪90年代中期世界上实用的卫星导航系统主要有：“子午仪”卫星导航系统、“奇卡达”卫星导航系统、“导航星”全球定位系统、“格罗纳斯”全球卫星导航系统。
“子午仪”卫星导航系统 美国低轨道卫星导航系统。采用卫星多普勒测距定位体制。由导航卫星网、地面设施和舰上接收设备3部分组成。导航卫星网中有4～6颗卫星，沿通过极地的近圆形轨道运行。每个轨道上有1颗卫星，各轨道之间有一个间隔，轨道高约1100千米。卫星绕地球一周的运行周期约107分钟，平均间隔1小时左右可观测到1颗卫星。卫星上装有接收机、存储器、发射机等设备。接收机接收地面设施发来的卫星星历等数据和指令，输入存储器中。两台发射机分别用399．968兆赫和149．988兆赫的频率发射信号。地面设施包括跟踪站、时间站、计算中心和注入站4个部分。舰上接收设备接收卫星播发的信号，用测量单颗卫星的多普勒频移积分值的方法，测定和显示观测点的二维位置。有双频道和单频道两种，双频道接收设备，接收卫星播发的两种频率的信号，可消除电离层对电波传播的影响，提高定位精度，一般用于大地测量。单频道接收设备，只接收卫星播发399．968兆赫信号，不能消除电离层对电波传播的影响，定位精度稍低。
“奇卡达”卫星导航系统 俄罗斯类似“子午仪”的低轨道卫星导航系统。采用卫星多普勒测距定位体制。由6颗卫星组成导航卫星网，轨道高约1000千米，与赤道面夹角83°，绕地球一周105分钟，工作频率400兆赫和150兆赫。航行定位精度0．5海里。计划该系统用到本世纪末。
“导航星”全球定位系统 美国的国防卫星导航系统。采用双频、被动时间测距定位体制。由空间导航星座、地面台站和用户设备组成。空间导航星座配置21颗工作卫星和3颗备用卫星，均匀设置在相隔60°的6个轨道面上，每个轨道面上布放4颗卫星。轨道倾角55°。卫星在20183千米高的近圆形轨道上运行，运行周期约12小时。卫星连续发射用伪随机码调制的1575．42兆赫和1227．6兆赫两种频率的信号。双频发射是用以供接收设备消除电离层对电波传播的影响，采用伪随机码技术，以保密、抗干扰和识别各颗卫星的信号。采用的伪随机码有P码、Y码和C／A码3种，P码是一种连续、快速、长周期的精确码，定位精度高，保密性好，专供美军和特许用户使用，实时定位精度约15米。Y码由P码加密而成，在特殊情况下才使用。C／A码又称S码，是一种短码、粗码，供一般用户使用，定位精度约30米。民用C／A码的定位精度降为100米。P码用户设备，可用双频工作，C／A码用户设备仅能用1575．42兆赫频率工作。地面台站由1个主控站、3个上行数据传输站和5个监控站组成，其任务是跟踪和监视卫星并保证卫星导航数据的质量。用户设备，一般采用被动时间测距法定位。用户需要精确测量4颗卫星信号的传播时间，由此获得高精度的三维定位数据。可对全球范围内的舰船、飞机、坦克、地面车辆、步兵、导弹以及低轨道卫星、航天飞机等提供全天候、连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和精确时间。有些测量用的接收设备，用测量载波相位法和干涉法定位，可达到厘米级的相对定位精度。采用差分GPS技术，可提高导航定位的精度。差分GPS是在已知位置的地方建立监视台，用GPS接收机接收卫星信号，监测GPS系统的误差，作为校正值。按规定的格式，监视台定时把校正值等数据播发出去，供附近用户对观测值进行校正。在离监视台200～500千米范围内，民用C／A码差分GPS定位精度为5米。中国已在沿海的大三山岛、秦皇岛、北塘、王家麦岛等处建立了差分GPS播发站。
“格罗纳斯”全球卫星系统 俄罗斯中高轨道卫星导航系统。采用双频、被动时间测距体制。该系统24颗卫星分布在3个轨道平面上，每个轨道面上有8颗卫星。轨道高度18840～19940千米，轨道倾角64．8°，轨道周期11小时15分钟。卫星用约1600兆赫和1200兆赫两种频率工作。为了识别卫星，各颗卫星的工作频率互不相同。平面定位精度100米，高程定位精度150米。“格罗纳斯”全球卫星导航系统1993年底共有13颗卫星在轨道上运行。俄罗斯1995年9月完成组网。该系统可为舰船、飞机、地面用户及近地飞行的航天器在全天候条件下实行连续实时的三维定位和速度测定，也可用于大地测量和高精度卫星授时等。
展望 卫星导航具有优异的性能，已成为重点发展的导航技术。发展趋势是，建立和完善在全球范围或区域性范围内，提供全天候、立体覆盖、快速、实时、连续、高精度和高可靠性的卫星导航系统；建立导航、通信、搜寻营救、气象服务、授时，以及海、空交通管制等多用途的综合卫星系统；用户设备向小型、自动、低价格，与其他传感器组合，扩展新的功能等方向发展。