GNSS测量技术：揭秘美国GPS全球导航卫星系统

1.GPS系统的组成

GPS定位系统包括三大部分: ①空间星座部分; ②地面监控部分; ③用户设备部分。如图1.1所示。以下分别介绍它们的作用、工作原理和工作状况。

图1.1 GPS系统的组成

(1)空间星座部分

空间星座部分是由空间运行的多颗卫星按一定的规则组成的GPS卫星星座。其由24颗GPS工作卫星所组成，其中，21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星共同组成了GPS卫星星座。这24颗卫星在6个倾角为55度的轨道上绕地球运行，各个轨道平面之间相距60度，轨道平均高度20200km。卫星的运行周期，即绕地球一周的时间约为12恒星时(11h 58min)。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4min见到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。满足了在用GPS信号导航定位时，为了解算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星的基本要求。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS用户正是利用这些信号来进行导航定位工作的。

GPS卫星空间星座的分布保障了在地球上任何地点、任何时刻至少有4颗卫星被同时观测，加之卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此GPS是一种全球性、全天候的连续实时定位系统。工作卫星之所以采用二万公里高近于圆形的轨道，一方面是为了增大地面覆盖面积; 另一方面是为了使覆盖均匀，从而达到信号强度均匀、接收时间也均匀的目的。

GPS卫星的主要作用有以下三方面:

①在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段(10cm波段)发送到卫星的导航电文和其他信号。

②接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，修正其在轨运行偏差及启用备用时钟等。

③用L波段两个无线载波(19cm和24cm波)连续不断地向广大用户发送GPS导航定位信号，并用导航电文的形式提供卫星自身的现势位置与其他在轨卫星的概略位置，以便用户接收使用。

可见GPS卫星定位是以被动定位原理进行工作的，GPS卫星最根本的作用就是向用户发送用户所需要的信号和电文。因此，对卫星的寿命长短和时间的精确度就必须高度重视。GPS工作卫星的设计寿命是7.5年，但从实验卫星的工作情况来看，使用寿命一般都会超过甚至远远超过设计寿命。GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m，重约774kg，两侧设有两块双叶太阳能板，能自动对日定向，以保证卫星正常供电(见图1.2)。GPS工作卫星中安置两台铷原子钟和两台铯原子钟(仅PRN08试验卫星用的是石英钟)，这是卫星的核心设备。采用原子钟的目的是因为它的频率稳定度优于10－12，3万年仅差1s(见表1.2)，远高于稳定度为10－9的石英钟，因而可大幅度提高导航和定位精度。

图1.2 BlockⅡR/ⅡF卫星

表1.2 卫星时钟的稳定性

(2)地面监控部分

GPS的地面监控部分由分布在全球的若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，如图1.3所示。根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为一个主控站、五个监控站和三个注入站。

图1.3

1)主控站

主控站设在美国本土科罗拉多州斯平士(Colorado Spings)的联合空间执行中心CSOC (即Consolidated Space Operation Center)，拥有以大型电子计算机为主体的数据收集、计算、传输、诊断等设备，其主要作用是:(www.xing528.com)

①收集数据。收集各监测站获得监测的伪距和积分多普勒观测值、卫星时钟和工作状态数据、气象、监测站自身状态以及参考星历等数据。

②数据处理。根据所收集的前述数据计算各卫星的星历、卫星状态、时钟改正、大气传播改正等，具体地就是卫星位置和速度的六个轨道参数的摄动，每个卫星的三个太阳压力常数，卫星的时钟偏差、漂移和漂移率，各个监测站的时钟偏差、对流层残余偏差及极移偏差等状态数据。并将这些数据按一定格式编制成导航电文，并将导航电文及时传送给注入站。

③监测与协调。主控站一方面承担控制和协调各监控站与注入站的工作，另一方面还要监测整个地面监控系统是否正常，检验注入卫星的电文是否正确，监控卫星是否按预定状态将电文发送给用户。

④调度卫星。修正卫星的运行轨道，调用备用卫星去接替失效卫星的工作。

2)监控站

现有5个地面站均具有监控站的功能，除了主控站外，其余四个分别设在夏威夷(Hawaii)、阿松森群岛(Ascension)、迭哥加西亚(Diego Garcia)、卡瓦加兰(Kwajalein)，这5个监控站也称为空军跟踪站(air foce tracking station)，其坐标如表1.3所示。监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态。

监控站是主控站直接控制下的数据自动采集中心。各个监控站均用GPS信号接收机对飞越其上空的所有可见GPS卫星每6S进行一次伪距测量和积分多普勒观测。监控站的主要设备包括1台双频接收机、一台高精度原子钟、一台电子计算机和若干台环境数据传感器。各监控站根据其接收到的卫星扩频信号求出相对于其原子钟的伪距和伪距差，检测出所测卫星的导航定位数据，利用环境传感器测出当地的气象数据，并对它们进行各项改正(如电离层、对流层、天线相位中心、相对论效应等项改正)，每15min平滑一次观测数据，依此算出每2min间隔的观测值，然后将算得的伪距、导航数据、气象数据及卫星状态数据传送给主控站，为主控站编算导航电文提供可靠的数据。地面监控系统的方框图如图1.4所示。

另外，美国国家图像制图局NIMA的7个跟踪站(NIMA Tracking Station)也参与了监测。

表1.3 GPS监控站在WGS-84系中的坐标

图1.4 地面监控系统的方框图

3)注入站

三个注入站分别设在南大西洋的阿松森群岛(Ascension)，印度洋的迭哥加西亚(Diego Garcia)和太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein)的三个美国空军基地上。注入站的主要设备包括1台直径为3.66m抛物面天线，1台C波段发射机和1台电子计算机。

注入站的主要作用是将主控站需传输给卫星的资料以既定的方式注入到卫星存储器中，供GPS卫星向用户发送。当某颗GPS卫星飞越注入站上空时，它先取该颗卫星的导航电文，用10cm(S)波段的微波作载波，将导航电文注射给该颗卫星。每天注射1次，每次将14d的星历(因BlockⅡ型卫星的存储器只能存储14d的导航电文，只有BlockⅡA型卫星的存储器才能存储180d的导航电文)存入卫星上的存储器。因此，即使地面监控系统停止注射，卫星仍能继续发送导航电文I4d。但随着时间的流逝，预报星历的精度越来越差。例如，可使定位精度从10m降低到200m。此外，注入站还能每分钟自动地向主控站报告一次它的工作状态。

整个GPS的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用现代化的通信网络联系起来，在原子钟和计算机的驱动和精确控制下，各项工作实现了高度的自动化和标准化。

(3)用户设备部分

用户设备部分由GPS信号接收机、GPS数据的后处理软件及相应的用户设备所组成。其作用是接收、跟踪、变换和测量GPS卫星所发射的GPS信号，以达到导航和定位的目的。GPS接收机硬件，一般包括主机、天线、控制器和电源，主要功能是接收GPS卫星发射的信号，能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，获得必要的导航和定位信息及观测量。用户设备一般为计算机及其终端设备、气象仪器等，主要功能是对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间，并经简单数据处理而实现实时导航和定位。数据处理软件是指各种后处理软件包，其主要作用是对观测数据进行精加工，以便获得精密定位结果。以上这三部分共同组成了一个完整的GPS系统。