第一代全球导航卫星系统
第一代全球导航卫星系统又名美国海军卫星导航系统（Navy Navigation Satellite System，NNSS），由于系统里的卫星运行在与赤道夹角为90°的极轨道上，也即沿着地球的子午线绕地球旋转，故也称为子午（Transit）卫星导航系统。
1957年10月4日，苏联成功发射第一颗人造地球卫星Sputnik 1，开创了人类的空间世纪，地球进入了航天时代（图5-2）。第一颗人造地球卫星发射后，来自美国约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室（JHU/APL）的吉尔（William Guier）博士和魏芬巴哈（George Weiffenbach）博士利用地面对Sputnik 1信号多普勒测量数据对Sputnik 1进行了精确定轨（图5-3）。
图5-2 Sputnik1
图5-3 吉尔（右）和魏芬巴哈（左）
JHU/APL的麦克卢尔（Frank McClure）博士和克什纳（Richard Kershner）博士则提出了利用多普勒测量方法进行定位的思想（图5-4）。
1958年，受美国海军委托，克什纳博士领导的团队，开始开展子午卫星导航系统的研究。1964年1月，子午卫星导航系统建成后，开始用于美国北极星核潜艇的导航定位，后逐步用于其他各种舰艇的导航定位。1967年7月，子午卫星导航系统解密并提供民间商业用途。
子午卫星导航系统是世界上第一套卫星定位系统，具有划时代的意义，主要由空间部分、地面控制部分和用户部分组成。
空间部分的作用是播发导航定位信号，由6颗卫星组成，每颗卫星运行在一个极轨道上，轨道高度为1 075 km，如图5-5所示。
地面控制部分的作用是监控导航系统及编制导航电文，是由跟踪站、计算中心、注入站、控制中心、海军天文台等组成的。
用户部分即多普勒接收机，其作用是接收导航信号、完成导航定位（图5-6）。
图5-4 麦克卢尔和克什纳
图5-5 子午卫星导航系统星座
图5-6 多普勒接收机天线
子午卫星导航系统是基于多普勒频移效应来进行定位的，即卫星相对于地面接收机的运动速度是在变化的，两者靠近和远离时，会出现由于频率增加和减少导致的运动多普勒频率变量由正至负的变化。通过对多普勒频移的瞬时测量，能够确定运动载体的移动速度，进而通过对多普勒频移的连续积分测量，可以求出卫星和接收机之间的距离变化。
这样，采用多普勒测量方法，就可以测定接收机在不同时间至同一卫星的距离差，再结合卫星轨道数据，就可以采用双曲面定位法来求解载体的位置（图5-7）。
图5-7 子午卫星系统的定位原理
由于该系统卫星数量较少，无法实现对全球的连续覆盖，且卫星运行高度较低，每隔1～2 h才有一颗卫星飞过地面观测站，意味着不能同时接收到多颗卫星信号；这样一台接收机需要通过观测一次完整的卫星通过数据，才能获取良好的定位几何条件，定位时间长，也无法提供快速连续实时三维导航定位；而且不同卫星信号频率相同，导致有时需要关闭部分卫星避免干扰；另外，该系统受地球重力场和大气阻力影响大，且需要进行多普勒积分，导致定位精度低，只能用于低动态、低精度定位，难以满足飞机、导弹等高动态导航定位要求。
为了解决上述问题，美国海军又提出Timation计划，以提高子午卫星导航定位能力。同时，美国空军也在开展621B卫星定位系统研究，即在0°、30°、60°的椭圆轨道上，布设15～20颗卫星，以实现全球连续的三维定位。
1969年，美国国防部建立了国防导航卫星系统（DNSS）计划，将各军种独立的研制工作统一起来，形成了统一的联合使用系统，由美国国防部长办公室建立导航卫星执行调控小组，制定DNSS可行性研究规划。新一代卫星导航系统名为“授时与测距导航系统/全球定位系统”（Navigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System，NAVSTAR GPS，简称GPS）。