卫星导航定位系统的前世今生（一）Transit

dmhang

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一、Transit

1957年10月4日，人类历史上的第一颗人造卫星Sputnik由苏联发射升空。此举显然引起了处于冷战中的另一超级大国美国的高度关注。仅仅几天之后，约翰霍普金斯大学（Johns Hopkins University）应用物理实验室（APL, Applied Physical Laboratory）的科学家George Weiffenbach和William Guier发现，通过分析Sputnik卫星信号的多普勒频偏可以确定其卫星轨道。基于这一发现，APL研究中心主任Frank McClure提出，如果卫星的位置已知且可预测，则可以利用卫星信号的多普勒频偏来确定地球上的接收机的位置。于是，最初的卫星定位系统的概念诞生了。1958年起，APL开始为美国海军开发卫星定位系统子午仪（Transit）。该系统于1960年首次成功完成试验，并于1964年开始为美国海军服务。因此Transit系统又称NAVSAT（Navy Navigation Satellite System），即海军导航卫星系统。

Transit卫星通过两个UHF频段的载波信号发射精确的间隔为2分钟的时间戳，以及卫星的六个轨道参数及其抖动变量。美国海军的地面监控站每天两次向卫星发送卫星星历和时间的校正值，确保其值的准确。和GPS系统不同，Transit的定位原理是对一段时间内的卫星信号的多普勒频偏曲线进行迭代拟合，从而计算本地位置。定位软件先给出一个初始的接收机位置，并基于该位置根据卫星的运动计算其多普勒曲线，接着采用最小二乘法对每2分钟的多普勒曲线进行拟合迭代，直到其拟合迭代出的多普勒曲线与接收机观测到的实际多普勒曲线相同为止。从上述定位原理可知，Transit系统的定位方法具有以下特点：1、仅需一颗星即可定位；2、每次定位时间较长，至少为2分钟。这和GPS系统有着很大的差别，GPS系统要求至少3颗可见星进行2D定位，而定位可以实时进行，满足高动态要求。

和GPS一样，Transit系统也采用双频发射来消除电离层的误差，两个发射频率分别为150MHz和400MHz，均为UHF频段。Transit系统的定位精度标称约为200米，同时该系统也可以用来授时，可提供精度约50毫秒的同步时钟。

由于Transit采用多普勒频偏来进行定位，其对运动物体的定位精度必然变差。而实际应用中，对于慢速行驶的船只而言，仅用一个2分钟的多普勒曲线进行迭代的精度也可以达到100米，这已经满足当时美国海军的应用要求。

Transit系统设计为覆盖全球，只有当有一颗Transit卫星位于接收机所在位置的水平面上方时才能进行定位。由于Transit卫星的运行周期，在赤道附近的两次定位间隔约为几小时，而在中纬度地区的两次定位间隔一般为一小时左右。对于当时的应用而言，在这两次定位间隔的时间段内，一般采用惯导来保持连续的定位。

自1964年投入运行，Transit系统一直工作了32年，直到1996年由于GPS系统的兴起而停止其导航定位服务。

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