GPS導航定位系統(tǒng)組成解說

GPS導航系統(tǒng)包括三大部分：空間部分—GPS導航衛(wèi)星星座;地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng);用戶設(shè)備部分—GPS信號接收機。

GPS衛(wèi)星星座

GPS工作衛(wèi)星及其星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座，記作(21+3)GPS星座。 24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，軌道傾角為55度，各個軌道平面之間相距60度，即軌道的升交點赤經(jīng)各相差60度。每個軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差90度，一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛(wèi)星超前30度。

在兩萬公里高空的GPS衛(wèi)星，當?shù)厍驅(qū)阈莵碚f自轉(zhuǎn)一周時，它們繞地球運行二周，即繞地球一周的時間為12恒星時。這樣，對于地面觀測者來說，每天將提前4分鐘見到同一顆GPS 衛(wèi)星。位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時間和地點的不同而不同，最少可見到4顆，最多可見到11顆。在用GPS信號導航定位時，為了結(jié)算測站的三維坐標，必須觀測4顆 GPS衛(wèi)星，稱為定位星座。這4顆衛(wèi)星在觀測過程中的幾何位置分布對定位精度有一定的影響。對于某地某時，甚至不能測得精確的點位坐標，這種時間段叫做“間隙段”。但這種時間間隙段是很短暫的，并不影響全球絕大多數(shù)地方的全天候、高精度、連續(xù)實時牡己蕉ㄎ徊飭俊?GPS工作衛(wèi)星的編號和試驗衛(wèi)星基本相同。

地面監(jiān)控系統(tǒng)

對于導航定位來說，GPS衛(wèi)星是一動態(tài)已知點。星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷—描述衛(wèi)星運動及其軌道的的參數(shù)算得的。每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷，是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預定軌道運行，都要由地面設(shè)備進行監(jiān)測和控制。地面監(jiān)控系統(tǒng)另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時間標準—GPS時間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測各顆衛(wèi)星的時間，求出鐘差。然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星再由導航電文發(fā)給用戶設(shè)備。 GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站。

GPS信號接收機

GPS 信號接收機的任務(wù)是：能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導航電文，實時地計算出測站的三維位置，位置，甚至三維速度和時間。

靜態(tài)定位中，GPS接收機在捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中固定不變，接收機高精度地測量GPS信號的傳播時間，利用GPS衛(wèi)星在軌的已知位置，解算出接收機天線所在位置的三維坐標。而動態(tài)定位則是用GPS接收機測定一個運動物體的運行軌跡。GPS信號接收機所位于的運動物體叫做載體(如航行中的船艦，空中的飛機，行走的車輛等)。載體上的GPS接收機天線在跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中相對地球而運動，接收機用GPS信號實時地測得運動載體的狀態(tài)參數(shù)(瞬間三維位置和三維速度)。

接收機硬件和機內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包，構(gòu)成完整的GPS用戶設(shè)備。GPS接收機的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩大部分。對于測地型接收機來說，兩個單元一般分成兩個獨立的部件，觀測時將天線單元安置在測站上，接收單元置于測站附近的適當?shù)胤剑秒娎|線將兩者連接成一個整機。也有的將天線單元和接收單元制作成一個整體，觀測時將其 安置在測站點上。

GPS接收機一般用蓄電池做電源。同時采用機內(nèi)機外兩種直流電源。設(shè)置機內(nèi)電池的目的在于更換外電池時不中斷連續(xù)觀測。在用機外電池的過程中，機內(nèi)電池自動充電。關(guān)機后，機內(nèi)電池為RAM存儲器供電，以防止丟失數(shù)據(jù)。

近幾年，國內(nèi)引進了許多種類型的GPS測地型接收機。各種類型的GPS測地型接收機用于精密相對定位時，其雙頻接收機精度可達5mm+1PPM.D，單頻接收機在一定距離內(nèi)精度可達 10mm+2PPM.D。用于差分定位其精度可達亞米級至厘米級。目前，各種類型的GPS接收機體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測。GPS和GLONASS 兼容的全球導航定位系統(tǒng)接收機已經(jīng)問世。