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试答孙鹏之问

已有 642 次阅读 2020-4-12 09:07 |个人分类:寰球观察|系统分类:科普集锦

http://blog.sciencenet.cn/blog-419883-1120978.html

如上链接,为孙鹏博友2018-6-26 之问。《GPS卫星轨道到底是啥样?》

 1  为什么把轨道放这么高?

  2  为什么不把卫星放在静止轨道上呢?

  3  为什么不放的更低些呢?

  4.科学家当时是怎么考虑这个GPS轨道高度的?

  5.他们当年遇到的困难是什么?又是怎么克服的?

     试答前三个问题。

1   轨道放在两万公里左右的高度,是为了保证在室外无遮挡的地方,随时都能观测到不少于四颗卫星。轨道越低,覆盖地面的面积越小,换句话说就是轨道利用率低。如果选用低轨(几百公里到上千公里)卫星,实现导航定位的最低卫星数量会达到几十甚至上百颗。而且,低轨卫星的寿命偏短,频繁地发射卫星的成本太高。

     用几个轨道面,每个轨道面上安排几颗卫星,各轨道面上的卫星的排序(升交点赤经之差)都是考虑到卫星的“均匀分布”。好像演员在台上演出一样,不能一阵子扎堆(十几个),一阵子有稀稀拉拉的(一两个、两三个)。同时观测太多的卫星,意义不大;同时观测到的卫星数量不足,或者高度太低,都不利于导航和定位。

2   静止轨道的高度在3.6万公里,我国2000年开始发射的北斗一号试验卫星,就是采用了这个轨道(美国人,曾经考虑过使用这个轨道,没有实现。)。这个轨道的优点是覆盖面积大。三个卫星即可实现除了南北极区域(高纬度)的导航定位和通信。我国的北斗二号、北斗三号都依然保留了这个轨道的卫星。

    如果要(较好地)实现两级地区的导航定位,可以发射轨道倾角90°左右的极轨卫星。实际上,美国的第一代导航卫星——子午仪导航卫星,就是采用六颗高度为1000公里的极轨卫星(低轨)。低轨卫星的定轨精度较差,导航定位精度也较低。一次定位时间需要10分钟。

3   这个问题和第一个问题,有交叉。我觉得(没有进行具体计算)还是从成本上考虑的。如果选用的卫星的轨道高度不是两万公里,而是低一点?(比如一万公里),按说也可以实现导航定位(需要更多的卫星)。 

    还有一个因素,可能是为了延长单站观测时间较长,便于地面监测站进行卫星导航系统的运行控制。

    http://blog.sciencenet.cn/blog-255-1225086.html  转载了导航卫星导航系统的性能参数,包括轨道参数。

4.和5.

   暂时回答不了,请原谅。不过,可以提供一个信息——GPS卫星上天之前,曾经有所谓的地面伪卫星——就是在地面模拟发射导航卫星信号的无线电装置。现在,伪卫星可以转发导航卫星的信号,也可以独立发射导航信号,用于弥补无法观测导航卫星的区域导航和定位。(GPS卫星)

  另外,就是星载原子钟的研制有一定的难度。(GPS卫星遭遇过发射失败,这虽然不是导航卫星自身的问题,也是影响其进展的重要因素。航天发射风险较大,哪个航天强国也不敢保证成功率100%)




http://blog.sciencenet.cn/blog-255-1227939.html

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2 武夷山 杨正瓴

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