GPS的构成与原理解析

全球定位系统(Global Positioning System,GPS)是一种定时和测距的空间交会定点的无线电导航系统,可以向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、速度和时间信息。该系统由美国政府率先研制。1991年,美国在与伊拉克展开的海湾战争中,首次使用了GPS系统；1995年,美国宣告GPS正式进入全面运行状态。

GPS由3个独立部分组成——空间段、地面段、用户段,其结构如图7.4所示。空间星座向地面发射无线电信号,包含测距码和导航电文信息。地面段包括监测站、控制站和上行注入站。其中,监测站可以获取卫星到监测站的距离信息,并发送到控制站；控制站计算卫星的导航电文信息,决定卫星是否执行变轨,然后将结果通过上行注入站发射到空间段。用户段接收、测量各卫星的信号,并从信号中获取卫星的位置,再解算得到自身的空间位置信息。

图7.4　GPS结构

1.空间段

GPS空间星座部分包括21颗工作卫星和3颗备用卫星。这24颗卫星分布在6个轨道上,每个轨道上不均匀地分布着4颗卫星,如图7.5所示。每颗卫星的平均高度约为20 200 km,卫星轨道面与赤道面夹角约为55°,相邻两个轨道面的升交点经度为60°,相邻轨道上邻近卫星的升交点角距约为30°。卫星的运行周期为11小时58分,而地球自转周期为24小时,因此在地面上一个固定点观测时,卫星的分布大约每隔23小时56分重复一次。

图7.5　GPS空间段示意

空间段的基本功能包括：接收从地面段发射的导航信息,执行从地面段发射的控制指令,进行部分必要的数据处理,向地面发送导航信息,并且通过推进器调整自身的运行姿态。

至今,GPS空间段一共经历了5代。

第一代：Block Ⅰ。第一代卫星的设计寿命为5年,用于验证GPS的可行性。

第二代：Block Ⅱ和Block ⅡA。第二代卫星的设计寿命为7.5年。

第三代：BlockⅡR和Block ⅡR-M。第三代卫星的设计寿命为10年,BlockⅡR-M型卫星可以发射军用、民用两种测距码,并且其信号功率都得到了很大提高。2005年9月2日,第一颗Block ⅡR-M型卫星发射升空。(www.xing528.com)

第四代：Block ⅡF。第四代卫星设计使用速度更快的处理器、更大容量的存储器,且卫星的设计寿命延长至12年。第四代卫星结束后,将实现军用码信号的全球覆盖。

第五代：GPSⅢ。第五代卫星改正了前几代卫星在设计和运行过程中的缺陷,并设计发射信号功率更加强大、高抗干扰性的卫星,其中民用单点定位精度估计可达1 m。

2.地面段

GPS的地面段包括1个控制站、4个上行注入站和6个监测站。注入站主要包括天线、C波段发射机和一台计算机,它将控制站发来的卫星导航电文和控制命令转发给卫星。监测站主要包括双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机和环境数据传感器,接收机可以对GPS卫星进行连续观测和相应的数据采集,环境数据传感器采集有关当地的气象数据,经过处理之后可以传送给控制站。控制站通过接收、处理所有监测站传来的数据,协调和控制地面监控部分的所有工作,主要功能包括：

(1)监视卫星运行轨道,并发送调整轨道的命令。

(2)确保各卫星的原子钟与主控站的原子钟同步。

(3)计算卫星的星历参数。

(4)计算导航电文中包含的各修正参数。

(5)更新导航电文,并传送给注入站。

(6)监视卫星是否工作正常,一旦监测到卫星发生故障,就启动备用卫星。

3.用户段

用户段由GPS信号接收机及设备组成,GPS接收机是接收、跟踪、变换和测量GPS信号的无线电设备。用户设备跟踪可见GPS卫星,对接收到的信号进行数据处理,以获得定位所需的导航信息。