探究空间卫星部分功能

9.2.1.1 GPS卫星星座

全球定位系统的空间星座部分由24颗卫星组成，其中21颗工作卫星，3颗可随时启用的备用卫星。工作卫星均匀分布在6个近圆形轨道面内，每个轨道面上有4颗卫星（见图9-2）。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55°，各轨道平面升交点的赤经相差60°，同一轨道上两卫星之间的升交角距相差90°。轨道平均高度为20200km，卫星运行周期为11h58min。在地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少为4颗，最多时达11颗。

9.2.1.2 GPS卫星及功能

GPS卫星（见图9-3）的主体呈圆柱形，直径为1.5m，重约774kg，设计寿命为7.5年。主体两侧配有能自动对日定向的双叶太阳能板，为卫星正常工作提供电源，通过一个驱动系统保持卫星运转并稳定轨道位置。每颗卫星装有4台高精度原子钟（铷钟和铯钟各两台），为GPS测量提供高精度的时间标准。

图9-2 GPS卫星星座

图9-3 GPS工作卫星

GPS卫星的主要功能是：①接收和储存由地面监控系统发射来的导航信息；②接收并执行地面监控系统发送的控制指令，如调整卫星姿态和启用备用时钟、备用卫星等；③向用户连续不断地发送导航与定位信息，并提供时间标准、卫星本身的空间实时位置及其他在轨卫星的概略位置。

9.2.1.3 GPS卫星信号及SA技术

1.GPS卫星信号(https://www.xing528.com)

GPS卫星信号与导航电文是通过发射高频载波信号来传送的（见图9-4），振荡器产生一个基准频率F0=10.23MHz的高频载波信号，分别以154倍和120倍实现倍频后，形成两个载波频率信号L₁=1575.42MHz，L₂=1227.60 MHz，波长分别为λ₁=19.03cm，λ₂=24.42cm。

GPS卫星的三种码信号（载波的三种相位调制）：

（1）P码或精码：两个载波被F0调制的伪随机码。主要用于较精密的导航定位，只供美国军方和授权用户使用。

图9-4 GPS卫星信号

（2）C/A码或粗码：L₁载波频率被调制为0.1F0的伪随机码，测距精度低。

（3）导航电文或D码：两个载波上都调制了50（bit/s）的数据串，它向用户提供为计算卫星坐标用的卫星星历、系统时间、卫星钟性能及电离层改正参数等信息。有每颗GPS卫星的识别码，区分来自不同卫星的信号。

2.SA（Selective Availability）政策与技术

SA（Selective Availability）政策：选择可用性政策。为保障美国政府的利益与安全，使非特许用户不能获得高精度的实时定位，美国国防部对GPS工作卫星发播的信号实行SA政策。

SA技术：对GPS卫星基准频率采用δ技术，即GPS的基准信号人为的引入一个高频抖动信号，以降低C/A码伪距观测量的精度；对导航电文采用ε技术，干扰卫星星历数据，降低GPS卫星播发轨道参数的精度，降低利用C/A码进行单点定位的精度。在SA的影响下，伪距单点定位精度由±25m降到±50m。大多商用GPS接收机工作于C/A码，只能使用降低了精度的C/A码。2000年5月美国政府取消了SA政策，民用C/A码的精度得到了显著的实质上的改善。