GPS导航的发展史及其结构 - 图文(3)

从GPS计划的提出到该系统的建成使用，历经20余年，耗资数百亿美元。这一工

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程项目是美国政府继阿波罗登月计划和航天计划之后的第三项庞大空间项目。GPS从根本上解决了人类在地球及其周围空间的导航及定位问题，它不仅可以广泛地应用于海上、陆地和空中运动目标的导航、制导和定位，而且可为空间飞行器进行精密定轨，满足军事部门的需要。同时，它在各种民用部门也获得了成功的应用，在大地测量、工程勘探、地形普查测量、地壳监测等众多领域展现了极其广阔的应用前景。

1.3 GPS系统的组成

全球定位系统(GPS)由三部分组成，即空间卫星星座部分、地面监控部分和用户设备部分（GPS接收机）。

A、空间星座部分

GPS空间卫星星座，必须保证在地球各处能同时观测到高度角15度以上的至少4颗卫星。

全球定位系统的空间星座由21颗工作卫星和3颗随时可以启用的备用卫星所组成。24颗卫星部署在6个轨道平面中，没个轨道平面升交点的赤经相隔60度，轨道平面相对地球赤道面的倾角为55度，每个轨道平面上均匀分布有4颗卫星，相邻轨道之间的卫星要彼此叉开30度。以保证全球均匀覆盖的要求。GPS卫星轨道平均高度约为20200km，卫星运行周期为11小时58分，因此，地球上同一地点的GPS接收机的上空，每天出现的GPS卫星分布图形相同，只是每天提前约4分钟。同时，位于地平线以上的卫星数目，随时间和地点的不同而相异，最少亦有4颗，最多时可达11颗。如图1.1。

目前GPS系统已经建成，其工作卫星在空间的分布保障了在地球上任何时刻、任何地点均至少可以同时观测到4颗卫星，加之卫星小号的传播和接受不受天气的影响，因此GPS是一种全球性、全天候的连续实时定位系统。

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图1.1 GPS卫星星座

GPS系统中，GPS卫星的作用是： 向广大用户连续发送定位信息；

接收和储存由地面监控站发来的卫星导航电文等信息，并适时地发送给广大用户； 接收并执行由地面监控站发来的控制命令，适时地改正运行偏差或启用备用卫星等；

通过星载的高精度铷钟和铯钟，提供精密的时间标准；

GPS的核心部件是高精度的时钟、导航电文储存器、双频发射和接受以及微处理器，而对于GPS定位成功的关键在于高稳定度的频率标准。这中高稳定度的频率标准由高精度的原子钟提高，因为10-9s的时间误差将会引起30cm的站心距离误差。为此，每颗GPS工作卫星一般安设2台侞原子钟和2台铯原子钟，并计划未来采用更稳定的氢原子钟（其频率稳定度优于10-14s）。GPS卫星虽然发送几种不同频率的信号，但是它们均源于一个基准信号，所以只需启用一台原子钟，其余作为备用。卫星钟由地面站检验，其钟差、钟速连同其它信息由地面站注入卫星后，再转发给用户设备。

B、地面监控部分

控制部分的操控系统（Operational Control System，简称OCS）负责监控全球定

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位系统的工作，包括主控站、监控站和注入站，各部分的作用如下：

主控站——卫星操控中心（CSOC），位于科罗拉多斯普林斯（Colorado Springs）附近的佛肯（Falcon)空军基地，其任务是收集各监控站送来的跟踪数据，计算卫星轨道和钟差参数并发送至各注入站，转发至各卫星。主控站本身还是监控站，另外可诊断卫星的工作状态，进行调度。

监控站——共有5个，除主控站（Colorado Springs）外，还在夏威夷（Hawaii）岛、北太平洋的卡瓦加兰（Kwajalein）岛、印度洋的狄哥伽西亚（Diego Garcia）岛、大西洋的阿松森（Ascension ）岛上设立监控站，装备有P码接收机和精密铯钟，对所接收到的卫星进行连续的P码伪距跟踪测量，并将每1.5秒的观测结果，借助电离层和气象数据，采用平滑方法，获得每15分钟的结果数据，传送到主控站。

注入站——共有3个，与北太平洋的Kwajalein Island、大西洋的Ascension Island和印度洋的Diego Garcia Island上的监控站并置，其主要功能是将主控站发送来的卫星星历和钟差信息，每天一次地注入到卫星上的存储器中。即使注入站因故障无法注入新的数据，存储器具备长达14天的预报能力，此时，定位精度从10m左右逐渐递减至约200m。

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讯网络联系起来，在原子钟和计算机的精确控制下，各项工作实现了高度的自动化和标准化。

C、用户设备部分

GPS用户设备部分主要包括：GPS接收机及其天线，微处理器及其终端设备以及电源等。而其中接收机和天线，是用户设备的核心部分，一半习惯上统称为GPS接收机。

根据接收机的结构，可分为天线单元和接收单元两大部分。一般将两个单元分别装备成两个独立的部件，观测时将天线单元置于测站上，接收单元置于测站附近适当的地方，两者之间用电缆线连成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制成一个整体，观测时将其安置在测站点上。

天线单元

它有接收天线和前置放大器两个部分组成。接收天线大多采用全向天线，可接收来自任何方向的GPS信号，并将电磁波能量转化为变化规律相同的电流。前置放大器可将极微弱的GPS信号电流予以放大。

接收单元

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