可以想象，在水连着天，天连着水，漫无际涯的茫茫大海上航行，如果没有精准的定位，航行的船只是非常危险的。传统的导航设备和导航方法有着诸多的不足，根本无法保证航行船只的航向安全。随着人造卫星的上天，卫星技术的进一步成熟，理想的导航工具终于应运而生了，这就是导航卫星。
导航卫星的出现和卫星导航系统的建立
导航卫星是指从卫星上连续发射无线电信号，为地面、海洋、空中和空间用户导航定位的人造地球卫星。
那么，导航卫星是怎么发展起来的呢？
未在海上航行过的人会有这样的疑问，指南针发明之前，在水连着天，天连着水，一望无际的大洋里，船舶如何确定方位呢？船是怎样到达万里之遥的目的地的呢？在古代，勤劳智慧的劳动人民，在长期航海实践中，靠观测太阳、月亮和其他星体来确定航船的位置。在我国两汉时代的《淮南子》中就说过，在大海中乘船不知方向，观看北极星便明白了。东晋的高僧法显从印度搭船回国后说，当时在海上见“大海弥漫，无边无际，不知东西，只有观看太阳、月亮和星辰而进”。在北宋以前，航海中还是“夜间看星星，白天看太阳”。这些依靠观测太阳、星星和月亮来确定航船地理位置的方法，实际是一种天文导航法，或者说古代天文导航法。
由于人们处在地球上的任何一个位置都可以观看到太阳、星星和月亮，所以天文导航不受地理位置的限制，具有全球性优点。但是，如果遇到阴天、雨天或多雾的天气，那就糟了，这种天气无法观察，因此，天文导航受气象条件的约束。我国古代劳动人民发明的指南针，克服气候条件的限制，给雨雾弥漫中的航船指明了方向。
导航卫星指南针的奥秘在哪里呢？原来，所有磁体都具有“同极性相斥、异极性相吸”的特性，而地球本身就是一个大磁体，这个大磁体和小磁针由于“同性相斥，异性相吸”，磁针的南极总是指向地球的北极，即指向南方。指南针成了人类导航的工具。根据指南针的原理做成的船舶导航仪器就叫罗盘（磁罗盘）。把一根磁棒用支架水平支撑起来，上面固定着一个从0°到360°的刻盘，再用一个航向标线代表船舶的纵轴，这就是一个简单的磁罗盘。
刻度盘上的零度与航向标线之间的夹角叫做航向角，表示船舶以地磁极为基准的方向。这样，在茫茫大海中航行的船舶，可根据夹角的大小判断出航行的方向。
但是，由于地磁场分布不均，磁罗盘常常会产生较大的误差。
20世纪初无线电技术的兴起，给导航技术带来了根本性的变革。人们开始采用无线电导航仪代替古老的磁罗盘。由于无线电波不受天气好坏的影响，它在白天夜里都可以传播，所以可以全天候收发信号。用无线电导航的作用距离可达几千千米，并且精度比磁罗盘高，因此被广泛使用。但是，无线电波在大气中传播几千千米过程中，受电离层折射和地球表面反射的干扰较大，所以，它的精度还不是很理想。航道上由于方向辨别不清而出现的海难事故还是时有发生，不仅给船只和乘员带来巨大的危险，而且常常给周围环境、海洋中的动物世界带来巨大的危害。
直到现代“罗盘”——导航卫星出现，这一难题终于得到了有效解决，1958年初，美国科学家在跟踪第一颗人造地球卫星时，无意中发现收到的无线电信号有多普勒效应。这一有趣的发现，揭开了人类利用卫星进行导航定位的新纪元。
美国第一代导航卫星“子午仪”
通过地面固定接收站测量到卫星发出信号的多普勒频率，就可以决定在太空运行卫星的轨道，以此知道卫星何时在何处。按照同样的道理，如果知道太空运行卫星的轨道，那么，也就可以根据所收到的多普勒频率，反推算地面观测站的位置。从已知卫星位置来确定地面观测站坐标的方法，就是当今卫星导航的基本原理。
1958年美国海军开始研制名叫“子午仪”的多普勒卫星导航系统，它又称海军卫星导航系统。1960年4月13日，美国成功发射世界第一颗卫星导航卫星“子午仪－1B”，开创了人类导航技术的新纪元。1967年，这个导航卫星系统组成网允许为民用船只使用，为航行在一望无际的大洋中的船舶指明方向。
“子午仪”导航卫星系统属美国低轨道导航卫星系列。卫星运行在高度约1100千米的近圆极轨道，目的是为了避免多普勒效应减弱。它们在轨道面上均匀分布组成围绕地球的空间导航网，6颗卫星在轨道上的配置似鸟笼形状。它的轨道倾角89°～90°，周期106～107分钟。它可为全球任何地方的水下潜艇、水面船只、地面车辆和空中飞机等用户服务，用户每隔1.6小时左右，就可以接收每颗卫星以150兆赫与400兆赫频率连续播送的无线电信号。地球上的用户根据发送的信号，便可以确切地知道卫星在太空轨道上的位置。
地球上各用户仔细地记录无线电信号中的多普勒频移，这就好像日常生活中，使用收音机收听电台的广播节目一样。人们根据多普勒效应，用计算机就能确定出地球上运动体（如潜艇等）所在的位置。这样，即使潜艇在浩瀚的海洋水下航行，时时刻刻都能知道自己在何处，在大海深处航行数月也不会迷失方向。
地球上的用户利用“子午仪”导航卫星发送的无线电信号来确定自己所在的位置，一颗卫星的定位精度在20～50米。如果在一天内把数颗卫星飞越30多次的数据都收集起来，然后进行平均计算，可以把定位误差减到最小，这样就可以把定位精度提高到几米。对于固定不动的地面台站，采用卫星多次飞越的数据来提高定位精度，显然是一个很好的办法，但是对于航行在水中的潜艇、水面的船舶，它们的导航接收机安在活动的艇、船上，还必须精确地知道它们航行的速度，否则，定位精度将会大大降低。对于翱翔在空中的飞机，由于在两次导航定位的时间间隔内，飞行距离可达1000千米以上，显然，不宜用“子午仪”导航卫星来进行导航，而需要研制更先进的导航卫星系统。
“子午仪”导航卫星系统由3大部分组成：发送导航信息的卫星，它高挂太空；对卫星进行连续跟踪和控制的网，它分布于全球；接收卫星发送的信号和进行导航计算的用户设备，它设置在地面、水面、水下或空中。卫星主体是八棱柱体，高25.4厘米，宽45.7厘米，有一根长22.86米的稳定杆，从柱体的顶部伸出，杆子末端带有一个重约1.36千克的质量块。四块矩形太阳电池帆板从棱柱体侧面伸出，形成十字形，帆板长167.6厘米，宽25.4厘米。
轨道上的“子午仪”卫星“子午仪”导航卫星携带的主要设备有：2台指令接收机、2台石英晶体振荡器和2台多普勒发射机等。卫星接收地面站发送来未来12～16小时的卫星轨道参数和指令，并存入卫星的数字存储器内，然后，每隔2分钟，卫星就播发一次轨道参数和时间信号，供地球上各用户使用。
地面跟踪和控制网负责连续跟踪“子午仪”卫星，计算和预报卫星运行轨道，并不断向卫星输送新的轨道参数。它包括跟踪站、计算中心、控制中心、注入站和授时站等，其中跟踪站负责测定并预报未来16小时内卫星的轨道参数，编制与火车时刻表类似的卫星运行时刻表（星历表）；控制中心负责将卫星的各种数据送至跟踪和控制网中各台站；注入站的任务比较简单，它根据星历表每隔12～16小时，用超高频时间信号对卫星上的石英钟进行一次校准，精度在50微秒之内。
“子午仪”导航卫星系统虽然不完善，但初步解决了军事用户的要求。它似“灯塔”，挂在太空，繁忙地为美国的核潜艇和水面舰艇指示方向，为西欧、南美洲等国的各种远洋船舶导航及海上定位，也为海上石油勘探定位以及陆地测绘，特别是山区和森林地区测绘服务。
自从美国建立自己的卫星导航系统以来，世界其他国家也纷纷研发属于自己的卫星导航系统。目前，世界上有四大主流卫星导航系统，分别是美国的全球定位系统（GPS）、前苏联/俄罗斯的全球导航卫星系统（GLONASS）、欧洲航天局的“伽利略”卫星定位系统和中国的“北斗”导航卫星定位系统。
50年来，导航卫星系统的用户遍布全球，有效地为各种军用舰艇和民用船只进行导航定位，并广泛用于海洋测量和石油勘探定位以及大地测量和地球重力场研究等许多领域。
知识点多普勒效应
多普勒效应是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。主要内容为：物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高；当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低。波源的速度越高，所产生的效应越大。
应用广泛的“导航星”全球定位系统
“子午仪”导航卫星系统高挂太空，给数以千艘船舶指明航向，可惜美中不足，不能全球、连续、实时、高精度地给运动物体导航，也不能提供高度和速度信息，而且不能为空中的飞机导航。
1973年12月，美国国防部又制订了一个“导航星”全球定位系统（GPS）的国防导航卫星计划，建立一个供各军种使用的统一的全球军用导航卫星系统。
“导航星”全球定位系统是美国国防部在海、空军1960年4月“子午仪”导航卫星研究成果的基础理论上发展而来的。1978年开始发射和建设，至1993年整个系统部署完毕。这种新式导航系统能快速、连续地为车、船、飞机以及导弹武器提供高精度三维位置、速度和时间的信息，实现近乎实时的导航，一次定位时间只需几秒钟到几十秒即可以完成。
GPS导航卫星星座“导航星”全球定位系统的工作原理是计算卫星发射机和地球上接收机之间的距离。如果同时接收来自3颗卫星的信号，把接收每一信号的时间记下来，利用已知的无线电传播速度，就能计算出接收机所在的位置，然后以每一卫星到接收机的距离为半径，以卫星为中心，作一个球体，这样，对3颗卫星可以作出3个球体，这3个球体的交点就是接收机的所在位置。不过，要作精确的计算，时间上必须严格同步，不然，1微秒的误差，会造成300米的定位误差。为此，利用一个导航卫星来授时，这样接收机同时接收来自4颗导航卫星的信号，也就是说至少要使4颗导航卫星同时出现在接收机的视场范围之内，使接收机能“看得见”，才能“听得到”。不论在地球上哪一个角落，要求任何时刻都能同时收到4颗导航卫星的信号，才能精确地定位。
GPS接收机“导航星”全球定位系统的组成简称3大部分：空间、控制和用户。
空间部分包括18颗卫星，它似18个“勇士”，在太空充当“向导”。它们均匀分布在6个轨道平面上，轨道倾角为53度，轨道高约2万千米，周期12小时，保证任何用户最低能连续看到4颗卫星。这就是，任何时候太空都有18个“勇士”中的4位以上，可以为潜艇、船只或地面车辆等充当“向导”。
“导航星”的星重分别是，I型约460千克，Ⅱ型卫星比I型卫星约大1／3，重为787千克，分别以1575兆赫和1228兆赫频率向地球发送信号。
控制部分由一个主控站、一个数据传输站和四个监控站组成，主要任务是跟踪并保证卫星导航数据准确无误。
用户设备主要由天线、接收机、数据处理装置和显示装置等组成。接收机接收4颗卫星发送的导航信号，数据处理装置对数据进行处理，以获得用户所在三维位置（空间位置）、速度和时间数据，并可以换成用户所需地理坐标系或其他坐标系表示的位置数据，在显示装置上显示。
“导航星”全球定位系统出现，解决了战争中最大问题之一——定位问题。它精确的定位数据能使武器提高击中目标的能力，使部队大大提高作战效率，原因是三维定位精度可达16米，三维速度精度高于0.1米／秒，时间精度可达100纳秒。
“导航星”系统具有全球、全天候、连续实时定位、精度高、抗干扰性强、不需要在国外设站、用户不需发射无线电信号、使用简单、不限制用户等特点，因此应用极其广泛，适于航空、航海、航天领域的飞行器和舰船，以及地面各种车辆和部队等，也非常适用于陆、海、空各军种作战需要，如“导航星”系统与武器系统相结合，会大大改善侦察敌情、目标定位、部队行军、弹药投放及联合军事行动等军事活动的效果。
