认识ＧＰＳ的起源与组成

[摘要]GPS是全球卫星导航系统的重要形式之一，在90年代建成并投入运行，在农业、牧业、渔业、环境领域已显示出极大的应用潜力。它不但被用来进行航天、航海导航，同样也被广泛使用于交通管制、大地测量、资源勘察、气象观测等各行各业以及科学研究中，渗透到了国民经济各个方面。介绍GPS的起源和组成，了解它的功能特点，提升其应用价值。

[关键词]GPS 起源 组成

中图分类号：TN99文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0420067－01

GPS的全称是NAVSTAR GPS(Navigation Satellite Timing And Rangi

-ng Global Positioning System)。它是美国国防部建立的一个全天候、空基导航系统。目的是为了满足军队在一个公用的参考系中，近地的任何地方精密确定其位置、速度及时间的需求。该定义可以清楚表明，建立GPS最初目的是一个军事的原因，但美国国会容许民间可以受控使用。

一、GPS的起源

GPS于1973年开始研发，1993年12月8日系统达到初始工作能力，星座中布满24颗卫星(BLOCKI/11/IIA)，1995年7月17日达到全运行能力。它能为全球陆海空各类载体，全天候24小时连续提供高精度的三维位置、速度和时间信息。GPS的优良性能被誉为是一场导航领域的革命，其应用前景仅受人们的想象力限制，以至美国国防部也不得不承认军方只是用户中的一小部分。目前，第三代GPS卫星(BLOCKIIR/BLOCKIIF)已开始发射。GPS为民用提供标准服务(SPS)，为军方提供精密定位服务(PPS)，SPS用户只能得到调制在L1载波上的C/A码，平面定位精度为15～25m(95%)，PPS用户可以得到调制在L1和L2两个频率上的PY码，平面定位精度为12m(95%)。为限制敌方利用C/A码对美国构成威胁，美国于1990年对GPS实施SA政策，人为降低C/A码平面定位精度到100m(95%)。近年来，由于受GPS应用技术发展和其他导航卫星系统竞争的挑战，美国已于2000年5月1日取消了SA，GPS(SPS)的定位精度达到10～20米的水平。

二、GPS的组成

GPS由空间部分、地面控制部分和用户部分组成。

（一）空间部分

GPS空间部分由24颗卫星组成。卫星均匀分布在6个倾角为55°的轨道面上，每个轨道有4颗卫星。卫星用两个L波段频率发射测距信号。卫星轨道采用近圆轨道，卫星高度约20200公里，周期约12恒星时。因此，同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前约4分钟。至今GPS已发射了三代卫星。第一代BLOCM卫星，用于全球定位系统的实验，通常称为GPS实验卫星。目前BOLCKI实验卫星已完全停止工作。第二代BLOCKII+BLOCKIIA卫星组成21+3的卫星星座，通常称为GPS工作卫星。第二代卫星共研制了28颗，卫星的设计寿命为7.5年，从1989年初开始，至1994年上半年已发射完毕。空间部分的3颗备用卫星，可在必要时根据指令代替发生故障的卫星，这对于保障GPS空间部分正常而高效地工作是极其重要的。目前，第三代GPS卫星BLOCKIIR/BLOCKIIF已经开始发射，卫星的设计寿命为12.5年，将装载更稳定的原子频标，发播更稳定、使用周期更长的导航电文。

GPS卫星在轨道内的分布不是均匀分布的，这样分布的好处是，当GPS卫星中有卫星发生故障时，不至于对星座有严重的破坏。其后许多研究提出了对GPS卫星星座的改进方案，如有类似GALILEO系统的30颗卫星分布在3个轨道面的方案和类似GLONSSS的24颗卫星分布在3个轨道面的方案。

（二）地面控制部分

地面控制部分，目前由分布在全球的5个地面站组成，其中包括地面监测站、主控站和注入站。

1．监测站

现有5个地面监测站。监测站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机各一台和若干台环境数据传感器。接收机对GPS卫星进行连续观测，以采集数据和监测卫星的工作状况。原子钟提供时间标准，而环境传感器收集有关当地的气象数据。所有观测资料由计算机进行初步处理，并储存和传送到主控站，用以确定卫星的轨道。

2．主控站

主控站一个，设在美国的本土科罗拉多(Colorado Spring)的联合空间执行中心CSOC。主控站除协调和管理地面监控系统工作外，其主要任务是：①根据本站和其他监测站的所有观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据传送到注入站；②提供全球定位系统的时间基准。各测站和GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，或测出其间的钟差，并把这些钟差信息编入导航电文，送到注入站；③调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行；④起用备用卫星，以代替失效的卫星。

3．注入站

注入站现有三个，分别设在印度洋的迭哥加西亚(Diego Garcia)、南大西洋的阿松森岛(Asencion)和南太平洋的卡瓦(Kwajalein)。注入站的主要设备包括一台直径为3.6m的天线，一台C波段发射机和一台计算机。其主要任务是在主控站的控制下将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并检测注入星系的正确性。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。

（三）用户部分

GPS的空间部分和地面监控部分，是用户应用该系统进行定位的基础，其应用主要是通过用户部分来实现。用户部分主要包括各种类型的用户接收机设备和相应的数据处理软件。

GPS接收机，一般包括主机、天线和电源，主要功能是接收GPS卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信息及观测量，并经简单数据处理而实现实时导航和定位。GPS软件部分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。GPS接收机的分类按不同的方式有不同的分法。

按应用类型可分为：导航型、测量型和授时型。

按频率可分为：单频接收机、双频接收机。

三、结束语

GPS是目前世界上应用最为广泛的卫星导航系统，现在已经在各行业各方面发挥着重要的作用，随着GPS的完善和丰富，它将在更多的行业发挥其更大的作用。

作者简介：

刘军静，河北省沙河市煤炭局，助理工程师，从事煤炭安全监控工作。