GPS全球定位系统的建立

出处：按学科分类—工业技术 中国建材工业出版社《工程测量实用技术手册》第533页（4636字）

1973年12月，美国国防部批准它的陆海空三军联合研制GPS全球定位系统。该系统的英文全称为“Navigation by Satellite Timing and Ranging／Global Positioning System(NAVSTAR／GPS)”，其中文意思为“用卫星定时和测距进行导航／全球定位系统”，简称GPS。自1974年以来，GPS计划已经历了方案论证(1974～1978年)、系统论证(1979～1987年)、生产实验(1988～1993年)三个阶段。总投资超过300亿美元。整个系统分为卫星星座、地面控制和监测站、用户设备三大部分。

1．GPS卫星星座

GPS卫星星座如图18－129所示。其基本参数如下：

卫星颗数为21+3(21颗工作卫星，3颗备用卫星)，6个卫星轨道面(A～F)，卫星高度为20200km。轨道倾角为55°，卫星运行周期为11h58min(12恒星时)，载波频率为1．575GHz和1．227GHz，卫星通过天顶时，卫星的可见时间为5h，在地球表面上任何地点任何时刻，在卫星高度角15°以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达11颗卫星。例如在我国北纬34°48′，东经114°28′一天内能够看到的GPS卫星数为：全天有50%的时间，能够看到7颗GPS卫星；有30%的时间，能够看到6颗GPS卫星；有15%的时间，能够看到8颗GPS卫星；有5%的时间，能够看到5颗GPS卫星。这表明，在我国境内全天能够见到5～8颗GPS卫星，已利于我国用户进行连续不断的导航定位测量。GPS卫星的发射情况见表18－39。

图18－129 GPS卫星星座

表18－39 GPS卫星的发射情况

注：BLOCKⅡ A(A即Advanced)，Ⅱ R(R即Replacement)，Ⅱ F(F即Follow on)。

如图18－130所示，GPS工作卫星的主体呈圆柱形，直径为1．5m，在轨重为843．68kg，两侧安装有4片拼接成的双叶太阳能电池翼板，总面积为7．2m²，设计寿命为7．5年，实际上均能超过该设计寿命而正常工作。卫星上安设有四台高精度的原子钟(一台使用，三台备用)，两台铷原子钟(频率稳定度为1×10^－12)，两台铯原子钟(频率稳定度为1×10^－13)，以减少时间误差引起的站星距离误差。卫星姿态采用三轴稳定方式，致使螺旋天线阵列所辐射的电磁波束对准卫星的可见地面。

图18－130 GPS工作卫星

GPS工作卫星的作用可概括为如下几点。

1)用L波段的两个无线载波(19cm和24cm波段)向地面用户连续不断地发送导航定位信号(简称GPS信号)，并用导航电文报告自己的现势位置以及其他在轨卫星的概略位置。

2)在飞越地面注入站上空时，接受由地面注入站用S波段(10cm波段)发送的导航电文和其他有关信息，适时地发送给广大用户。

3)接受由地面主控站通过注入站发送的卫星调度命令，适时地改正运行偏差或启用备用时钟等。

2．GPS地面监控系统

如图18－131所示，GPS的地面监控系统，目前主要由分布在全球的5个地面站所组成，其中包括卫星主控站、监测站和注入站。

图18－131 地面监控系统分布图

(1)主控站(1个)主要任务

根据所有观测资料编算各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数，提供全球定位系统的时间基准，调整卫星运行姿态，启用备用卫星。

(2)监测站(5个)主要任务

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，经计算机初步处理后，将数据传输到主控站。

(3)注入站(3个)主要任务

在主控站的控制下，将主控站编算的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等，注入到相应的卫星存储系统，并监测注入信息的正确性。

3．GPS用户设备部分

用户接收部分的基本设备，就是GPS信号接收机、机内软件以及GPS数据的后处理软件包。GPS接收机硬件一般包括主机、天线和电源，也有的将主机和天线制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。

GPS用户设备主要包括有GPS接收机及其天线，微处理机及其终端设备和电源等。其中接收机和天线是用户设备的核心部分，它们的基本结构如图18－132所示。

图18－132 GPS信号接收系统的结构

GPS信号接收机的任务是：跟踪可见卫星的运行，捕获一定卫星高度截止角的待测卫星信号，并对GPS信号进行变换、放大和处理，解译出GPS卫星所发送的导航电文，测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，实时地计算出测站的三维位置、三维速度和时间。

近年来，国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时，单频接收机在一定距离内精度可达10mm+2×10^－6×D，其双频接收机精度可达5mm+1×10^－6×D。用于差分定位时其精度可达亚米级至厘米级。GPS和GLONASS兼容的全球导航定位系统接收机也已经被一些部门采用。

目前，各种类型的GPS信号接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。它们按用途的不同，可分为导航型、测地型和授时型三种；按携带形式的不同可分为袖珍式、背负式、车载式、舰用式、空(飞机)载式、弹载式和星载式七种；按工作原理可分为码接收机和无码接收机，前者动态、静态定位都能用，后者只能用于静态定位。按使用载波频率的多少可分为单频接收机(用一个载波频率L₁)、用两个载波频率(L₁、L₂)的双频接收机和双星接收机(同时接收GPS和GLONASS卫星信号)，以双频和双星接收机为今后精确定位的主要用机。三星接收机(同时接收GPS、GLONASS和Galileo卫星信号)，由于Gali1eo卫星星座还未布成，故其功能目前与双星接收机相同。按型号分，种类就更多。

4．GPS现代化

GPS现代化的主要目的是军民分离，强化军用。其政策是：保护战区内的美方军用；防止敌方开拓GPS军用；保护战区外的GPS民用。

(1)分离军民用户伪噪声码的频带，增强军用伪噪声码的发射功率

GPS系统的建设初衷，是为美国的陆海空三军服务的，民用只是一种后续开发的意外结果。从有限资料分析可知，军民分离，复用频谱，将成为首选技术。第三民用信号(L₅)按计划已在2005年始发的Block Ⅱ F卫星上付诸实施。

(2)GPS新型工作卫星在轨自主更新星历，提高GPS系统的抗毁能力

2003年开始发射的Block Ⅱ R-M卫星具有下列特点：

1)能够作GPS卫星之间的距离测量。

2)能够在轨自主更新和精化GPS卫星的广播星历和星钟参数。

3)能够进行GPS卫星之间的在轨数据通讯。

4)无需地面监控系统的干预，Block Ⅱ R-M卫星能够自主运行180d作导航定位服务，且在180d时，用户测距误差仍可达到±7．4m；比Block Ⅱ A卫星的测距误差小1350倍。

5)在180d的自主运行周期内，为了使测距误差达到±5．3m，每隔30d由地面监控系统作210d的星历和星钟参数的更新。

(3)第二导航定位信号增设C／A码和军用M_E码

2003年开始发射的Block Ⅱ R-M卫星，其第二导航定位信号(L₂)将增设C／A码，并在第一、二导航定位信号上各增设一个军用伪噪声码。当用L₁－C／A码和L₂－C／A码作导航定位时，民间用户将能实现精确实时的电离层改正数，从而提高定位、测速和定时的精度。

在军事上还能进行导弹截击前期预警、航天器速度控制、停航辅助、航路变更和行驶状态改进。

(4)Block Ⅱ F卫星增设第三导航定位信号(L₅)

2005年发射的Block Ⅱ F卫星增设了第三民用信号(L₅)，其载波频率为1176．45MHz。分为载波频道和数据频道，该信号既提供民用，又提供军用。

(5)第四代GPS工作卫星BLOCK Ⅲ

第四代GPS工作卫星BLOCK Ⅲ正在研制中，其目标是能够达到20～50cm的实时定位精度。BLOCK Ⅲ卫星除了具有现行GPS卫星的全部功能以外，还将增强下列作用：维护航空、航天和火车行驶的安全；提供飞机精密着陆导航服务；跟踪货物安全运输；精细农业；城市规划；矿藏开采。

预计将在2010年发射第一颗BLOCK Ⅲ卫星，当GPS Ⅲ卫星全部投入运行后，将改变现行的六轨道24颗GPS Ⅱ／Ⅱ A／Ⅱ R卫星星座的布局和结构，用33颗卫星构建成高椭圆轨道(HEO)和地球静止轨道(GEO)相结合的新型GPS混合星座。将大大改善现有的定位精度和定位速度，使测量工作提高到一个崭新的阶段。