全球卫星定位系统在太空探索和开发中的作用

全球定位系统（Global Positioning System-GPS）又叫全球导航卫星系统（global navigation satellite system-GNSS），由美国国防部研制，是世界上唯一完全投入服务的全球导航卫星系统。任何人，任何地方都可以自由利用该系统。系统包括24到32颗中高度轨道卫星星座，转播无线电信号，让全球定位系统接收器利用导航卫星进行测时、测距和测速。

全球定位系统于1973年开始研制，1978年发射第一颗卫星，1994年全面建成，1995年4月27日投入全面工作，历时20余年，耗资200亿美元，具有海、陆、空全方位三维导航与定位能力。

GPS系统的用户是隐蔽的，它是一种单程系统，用户只接收而不必发射信号，因此用户的数量是不受限制的。虽然GPS系统一开始是为军事目的而研制的，但很快在民用方面得到广泛应用，各类GPS接收机和处理软件纷纷涌现，应运而生。

目前全球定位系统是美国第二代卫星导航系统，使用者只需拥有GPS终端机即可免费使用该系统提供的服务。GPS信号分为民用的标准定位服务和军规的精确定位服务。民用讯号中人为地加入误差以降低其精确度，使其最终定位精确度大概在100米左右；军规的精度在十米以内。长期以来，美国对本国军方提供的是精确定位信号，对其他用户提供的则是加了干扰的低精度信号——也就是说，地球上任何一个目标的准确位置，只有美国人掌握，其他国家只知道个“大概”。在海湾战争时，美国还曾经置欧盟各国利益不顾，一度关闭对欧洲全球定位系统服务。

2000年以后，克林顿政府决定取消对民用信号的干扰。因此，现在民用GPS也可以达到十米左右的定位精度。

美国全球定位系统垄断了全球军用和民用卫星导航市场。美国利用全球定位系统获得巨大的经济利益，多年来在出售信号接收设备方面赚取了巨额利润。以1986年为例，当时一台一般精度的全球定位系统定位仪价格5万美元，高精度的则达到10万美元。现在价格虽然有所下降，但也可推算出20年来全球定位系统“收获颇丰”。以全球定位系统为代表的卫星导航定位应用产业，已成为八大无线产业之一。据美国国家公共管理研究院进行的调查评估表明，全球定位系统的全球销售额将以每年38%的速度增长，2005年全球定位系统市场达到310亿美元。

＊出台背景

由于“子午仪”系统对舰艇和舰船导航方面存在不少缺陷，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。为此，美国海军研究实验室提出了27颗卫星，布置在12，875公里中高度的Timation全球定位计划，并于1967年、1969年和1974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，这是全球定位系统精确定位的基础。在这期间，美国空军也提出了在地球同步或接近地球同步轨道或40，000公里左右轨道布置5组3或4颗卫星的621B全球定位计划，该计划在信噪比低于1%时也能将信号检测出来，为全球定位系统取得又一个重要基础。由于两个计划都是为了建立全球定位系统，1973年美国国防部将二个计划合二为一，导致后来全球定位系统计划的诞生。

全球定位系统开始将24颗卫星放置在互成120度的三个轨道上。每个轨道上有8颗卫星，地球上任何一点均能观测到6至9颗卫星。这样，粗码精度可达100米，精码精度为10米。由于预算压缩，GPS计划减少卫星发射数量，改为18颗卫星，分布在互成60度的6个轨道上。由于这一方案使可靠性得不到保障，1988年又进行了最后一次修改，采用21颗工作星和3颗备份星工作在互成30度的6条轨道上。这就是现在全球定位系统卫星所使用的工作方式。

＊全球定位系统组成

全球定位系统包括3个主要部分：太空部分、控制部分和用户部分。

＊＊太空部分

全球定位系统GPS卫星星座由24颗卫星组成，其中21颗为工作卫星，3颗为备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上上，即每个轨道面上有4颗卫星。

卫星轨道面相对于地球赤道面的轨道倾角为55°，各轨道平面的升交点的赤经相差60°，一个轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星升交角距超前30°。这种布局的目的是保证在全球任何地点、任何时刻至少可以观测到4颗卫星。轨道高度20，200公里左右，轨道周期12小时，每颗卫星每天绕轨道飞行2圈。保证很好地覆盖地球表面。

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图3-6　带地球旋转的GPS星座运动图（注意在地球北纬45°给定点可见卫星数的变化）

全球定位系统卫星三轴稳定，星上有高精度原子钟，以确保频率稳定和系统时间同步。全球定位系统卫星由太阳提供动力，有备用电池，在日食无太阳能时提供能源。太阳板展宽5米，发射功率小于50瓦。卫星寿命至少10年。卫星上推进器，用于姿态控制。

卫星向地面发射五个波段的载波信号，频率分别为L1波段（1575.42兆赫兹）、L2波段（1227.60兆赫兹）、L3波段（1381.05兆赫兹）、L4波段（1379.913兆赫兹）和L5波段（1176.45兆赫兹）。

卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置、运动速度和时间信息。

全球定位系统卫星分试验型GPS I期，工作型GPS II期和更新的GPS III期。第II期又有II、IIA、IIR、IIR-M和IIF型号，其中I、II和IIA由洛克维尔国际公司制造，IIR和IIR-M由洛克希德·马丁制造，IIF由波音制造。

1995年7月17日，全球定位系统达到全部工作能力后，GPS完成了它的设计目的。但是对现有系统的新技术和新要求，导致全球定位系统更新。2000年美国国会批准全球定位系统GPS III。

＊＊地面控制部分

卫星轨道由设在夏威夷、夸贾林环礁、阿森松岛、迪戈加西亚岛、科罗拉多州的斯普林斯、科罗拉多的空军监测站，及国家地球空间信息情报局的监测站跟踪。跟踪信息送主控站，主控站设在科罗拉多斯普林斯的太空指挥部。主控站利用阿森松岛、迪戈加西亚岛、夸贾林环礁和科罗拉多斯普林斯地面天线联系全球定位系统卫星，对卫星进行导航更新，让卫星上的原子钟互相同步到纳秒级，并调整每颗卫星的位置星历表。

＊＊用户部分

用户定位设备由接收机、定时器、数据预处理器、计算机和显示器等组成。目前各种类型的接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。

＊应用

全球定位系统原来是专门用于洲际导弹导航，用它导航精确打击目标，军队依靠它来保证正确的前进路线。全球定位系统在1991年的海湾战争中首次得到实战应用。随后在科索沃战争、阿富汗战争、伊拉克战争和利比亚战争中都大显身手。从克林顿时代起，该系统开始用于民事。

全球定位系统具有海、陆、空全方位三维导航与定位能力。除了军用，在大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学多个领域都获得广泛引用与好评。

今天，一提到全球定位系统，人们首先联会想到GPS导航仪，随着系统的不断改进，硬软件的不断完善，应用领域不断开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并逐步深入人们的日常生活。