关于GPS和NNSS的最早期的相关的内容，可参考1988年国家测绘局研究所苗履丰研究员的这篇文章

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知识拓展：

GPS的发展历史

全球定位系统（GPS）是一个基于卫星的全球无线电导航系统。这篇文章将揭秘GPS如何发展的历史 。

卫星导航的起源

1957年，俄罗斯发射了Sputnik，这是第一颗成功绕地球轨道运行的卫星。当人造卫星绕着地球运行时，卫星发射了无线电信号。约翰霍普金斯大学应用物理实验室（APL）的一组科学家观察到一个奇怪的现象：随着卫星的接近，人造卫星发射的无线电信号的频率增加，信号频率随着卫星的离开而降低。

这在物理学中被称为多普勒效应。利用人造卫星的多普勒效应，科学家们可以使用无线电信号从地面跟踪卫星的运动。他们后来扩展了这个想法：如果卫星位置可以通过其无线电信号的频率偏移从地面确定，那么接收器在地面上的位置可以通过它与卫星的距离来确定。

Transit 卫星，显示重力梯度吊杆，使天线指向地球

子午仪卫星定位系统（Transit）

1958年，高级研究计划局（ARPA）利用这一原理开发了世界上第一个卫星定位系统 子午仪卫星定位系统（Transit），又称为“海军卫星导航系统”（NNSS）。 通过播发无线电导航信号，为美国各类潜艇和海面舰船等提供非连续的二维导航定位服务。

第一颗Transit卫星于1960年发射，该概念由约翰霍普金斯大学APL开发，能够为军事和商业用户提供导航，包括海军的导弹潜艇。该计划在1960年代中期移交给海军，到1968年，由36颗卫星组成的系统全面投入使用。Transit的技术将精度提高到数十米，并被认为“改善了地球陆地地图的准确性面积接近两个数量级“，有助于提高对卫星导航的接受度。

下图为俄亥俄级战略核潜艇上接收来 Transit卫星的导航信号的 海底惯性导航系统(SINS)。 Transit运营了28年，直到1996年国防部用目前的全球定位系统（GPS）取代了它。

全球定位系统(GPS)的起源

由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。

美国空军的621B计划从1964年到1966年进行的开创性GPS系统研究 。它最初是机密，直到最初的GPS卫星发射后才被解密。这是GPS系统设计的重要基础。

1964-66年USAF/621B研究中替代卫星导航技术的摘要。最佳的选择，以绿色环绕，成为白沙原型设计和测试的基础，然后演变成GPS。

美国空军提出了621B以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划，这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24小时的倾斜轨道，该计划以伪随机码（PRN）为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的1%时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS系统得以取得成功的一个重要基础。

由NRL开发的Timation 1是一种小型化的创新设计。

而美国海军研究实验室（NRL）提出了名为Timation的用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划，并于67年、69年和74年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这是GPS系统精确定位的基础。

Timation NTS-1携带了两个稍作修改的商业铷原子钟。

海军的计划主要用于为舰船提供低动态的2维定位，空军的计划能供提供高动态服务，然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以1973年美国国防部将两者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局（JPO）领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。

至此GPS 计划被正式批准启动。

JPO成员聚会 从左起，梅尔·伯恩鲍姆少校（ 他以马拉松式代码审查而闻名，）唐·亨德森上校（后升任少将），空军第二副手;拉尔夫·图里诺少校（后升任少将），程序控制;肯·尤维特中校，采购主任;以及Joe Strada中尉，他是广泛测试计划的关键领导者。

当然要实现GPS也有很多挑战，但其中五项尤其令人望而生畏，主要是工程方面的挑战。这些是：

• 定义GPS CDMA信号结构的具体细节；

GPS信号被设计为在传输时全部对齐，即相干

• 开发太空中高可靠性、长寿命的原子钟；

第一个GPS原子钟的认证模型

• 实现快速准确的卫星轨道预测；

地球自转轴的运动必须包含在GPS卫星定位的测量参数中。广播星历表经过调整以包含此效果，因此用户无需进一步调整。

• 确保并证明航天器寿命接近十年；

5、开发全系列GPS用户设备。

需要开发九种不同类型的GPS用户设备。最大的挑战是将实时数字软件处理塞进那个时代相对原始的数字计算机中。上图总结了用户设备的发展情况：

GPS的发展三个阶段：

第一阶段为方案论证和初步设计阶段。

从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了星载原子钟、地面接收机及建立地面跟踪网。

卫星时钟技术发展，在最后 达到目标：四颗罗克韦尔卫星与罗克韦尔开发的铷钟。

罗克韦尔柯林斯集团开发的最大GPS接收器（GDM）展示GPS 设备的终极抗干扰性

第二阶段为全面研制和试验阶段。

从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。1978年的一系列测试证明，该计划已经实现了所有目标。

左图：1978年德州仪器生产的早期 GPS背包 。仅电池的重量就远远超过目前的手机。

右：第二位JPO副主任Don Henderson上校（左）和航空航天项目经理Ed Lassiter（右）。

底：现代12通道（并行）Atheros芯片接收器，具有更多功能。

第三阶段为实用组网阶段。

1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年6月，随着第24颗卫星的发射，实用的GPS网即（21+3） 已经建成， 1995年7月实现了全面运行能力（FOC）。

这24颗卫星的建造和发射总共花费了约200亿美元。每颗卫星重约787公斤。这些卫星运行在地球上空约20公里的轨道上。卫星沿轨道绕地球运行一周的时间为12小时。

GPS系统的民用

1983年9月，在据称由于导航错误而被苏联击落一架大韩航空公司飞机后，美国总统里根宣布将向世界开放GPS系统民用信号。实际上在设计之初GPS就是一种军民两用系统。第一个民用GPS接收器是由英国利兹大学的学生建造的。

然而，在GPS的前二十年中，美国空军以安全问题为由，在其民用信号中引入了错误。这种对民用信号的有意降级被称为选择性可用性（SA）。然而，任何使用差分系统的人都可以获得可以抵消它的校正。事实上，美国海岸警卫队正在广播对美国空军放入该系统的错误进行更正。最后，在2000年5月1日，在在美国总统克林顿的命令下，空军关闭了SA，立即使民用GPS接收器的精度提高了约六倍。

随着美国GPS的发展，其他国家开始开发类似的全球和区域系统。 如今，俄罗斯运营着 GLONASS，欧洲正在建设伽利略，中国运营北斗导航卫星系统（BDS，以前称为Compass），印度运营导航印度星座（NavIC，以前称为印度区域导航卫星系统或IRNSS），日本运营准Zenith卫星系统（QZSS）。目前全球导航卫星系统卫星总数接近130颗。

最后，用一张美国已经发射及即将发射的GPS导航卫星图来结束本文吧。

星下点轨迹如何绘制，请查看这个视频：