全球定位系统的构成与原理

GPS主要由GPS卫星组成的空间部分、若干地面站组成的控制部分和以接收机为主体的广大用户部分组成，如图5-20所示。

图5-20　全球定位系统的组成

1.空间星座部分

（1）GPS卫星。GPS卫星主体呈圆柱形，直径约为1.5m，质量约为845kg，两侧设有两块双叶太阳能板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作，如图5-21所示。

图5-21　GPS卫星

每颗卫星装有4台高精度原子钟，发射标准频率，为GPS定位和导航提供精确的时间标准。另外，卫星上还有发动机和动力推进系统，用于保持卫星轨道的正确位置并控制卫星姿态。GPS卫星的主要功能如下：

1）接收和储存由地面控制站发送来的信息，执行监控站的控制指令。

2）微处理机进行必要的数据处理工作。

3）通过星载原子钟提供精密的时间标准。

4）向用户发送导航和定位信息。

（2）GPS卫星星座。由21 颗工作卫星和3 个在轨道备用卫星所组成的GPS卫星星座如图5-22所示。24颗卫星均分布在6个轨道平面内，每个轨道平面内有4颗卫星运行，距离地面的平均高度为20200km。6个轨道平面相对于地球赤道面的倾角为55°，各轨道面之间交角为60°。当地球自转360°时，卫星绕地球运行两圈，环球运行1周为11h58min，地面观测者每天将提前4min见到同一颗卫星，可见时间约5h。这样，观测者至少也能观测到4颗卫星，最多还可以观测到11颗卫星。

图5-22　GPS卫星星座(www.xing528.com)

（3）GPS卫星信号的组成。GPS卫星向地面发射的信号是经过两次调制的组合信息，其是由铷钟和铯钟提供的基准信号（f=10.23 MHz），经过分频或倍频产生D（t）码（50 Hz）、C/A 码（1.023 MHz、波长为293 m）、P 码（10.23 MHz、波长为29.3 m）、L1 载波（f1=1575.42 MHz）和L2载波（f2=1227.60 MHz）。

D（t）码是卫星导航电文，其中含有卫星广播星历（它是以6个开普勒轨道参数和9个反映轨道摄动力影响的参数组成）和空中24颗卫星历书（卫星概略坐标），利用卫星广播星历可以计算卫星空间坐标。

C/A 码是用于快速捕获卫星的码，不同卫星有不同的C/A 码。D（t）码与C/A 码或P码模2相加，再分别调制在L1、L2载波上，合成后向地面发射。

2.地面控制部分

地面控制部分是由分布在世界各地的五个地面站组成，按功能可分为监测站、主控站和注入站三种。

（1）监测站（5个）。监测站设置在科罗拉多、阿松森群岛、迭哥伽西亚、卡瓦加兰和夏威夷。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、气象参数测试仪和计算机等设备。监测站的主要任务是完成对GPS卫星信号的连续观测，并将计算得到的星站距离、卫星状态数据、导航数据、气象数据传送到主控站。

（2）主控站（1个）。主控站设置在美国本土科罗拉多联合空间执行中心。它负责协调管理地面监控系统，还负责将监测站的观测资料联合处理，推算各个卫星的轨道参数、卫星的状态参数、时钟改正、大气修正参数等，并将这些数据按一定的格式编制成电文传输给注入站。另外，主控站还可以调整偏离轨道的卫星，使其沿预定轨道运行或启用备用卫星。

（3）注入站（3个）。注入站设置在阿松森群岛、迭哥伽西亚和卡瓦加兰，其主要作用是将主控站要传输给卫星的资料以一定的方式注入卫星存储器中，供卫星向用户发送。

3.用户设备部分

用户设备部分包括GPS接收机和数据处理软件两部分。

GPS接收机一般由主机、天线和电源三部分组成，其是用户设备部分的核心。接收设备的主要功能是接收、跟踪、变换和测量GPS信号，获取必要的信息和观测量，经过数据处理完成定位任务。

GPS接收机根据接收的卫星信号频率，可分为单频接收机和双频接收机两种。

（1）单频接收机只能接收L1载波信号。单频接收机适用于10km 左右或更短距离的相对定位测量工作。

（2）双频接收机可以同时接收L1和L2载波信号，利用双频技术可以有效地减弱电离层折射对观测量的影响，所以，定位精度较高，距离不受限制；双频接收机数据解算时间较短，约为单频接收机的一半；但其结构复杂，价格昂贵。