認(rèn)識ＧＰＳ的起源與組成

[摘要]GPS是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要形式之一，在90年代建成并投入運(yùn)行，在農(nóng)業(yè)、牧業(yè)、漁業(yè)、環(huán)境領(lǐng)域已顯示出極大的應(yīng)用潛力。它不但被用來進(jìn)行航天、航海導(dǎo)航，同樣也被廣泛使用于交通管制、大地測量、資源勘察、氣象觀測等各行各業(yè)以及科學(xué)研究中，滲透到了國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)方面。介紹GPS的起源和組成，了解它的功能特點(diǎn)，提升其應(yīng)用價(jià)值。

[關(guān)鍵詞]GPS 起源 組成

中圖分類號：TN99文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0420067－01

GPS的全稱是NAVSTAR GPS(Navigation Satellite Timing And Rangi

-ng Global Positioning System)。它是美國國防部建立的一個(gè)全天候、空基導(dǎo)航系統(tǒng)。目的是為了滿足軍隊(duì)在一個(gè)公用的參考系中，近地的任何地方精密確定其位置、速度及時(shí)間的需求。該定義可以清楚表明，建立GPS最初目的是一個(gè)軍事的原因，但美國國會(huì)容許民間可以受控使用。

一、GPS的起源

GPS于1973年開始研發(fā)，1993年12月8日系統(tǒng)達(dá)到初始工作能力，星座中布滿24顆衛(wèi)星(BLOCKI/11/IIA)，1995年7月17日達(dá)到全運(yùn)行能力。它能為全球陸?？崭黝愝d體，全天候24小時(shí)連續(xù)提供高精度的三維位置、速度和時(shí)間信息。GPS的優(yōu)良性能被譽(yù)為是一場導(dǎo)航領(lǐng)域的革命，其應(yīng)用前景僅受人們的想象力限制，以至美國國防部也不得不承認(rèn)軍方只是用戶中的一小部分。目前，第三代GPS衛(wèi)星(BLOCKIIR/BLOCKIIF)已開始發(fā)射。GPS為民用提供標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)(SPS)，為軍方提供精密定位服務(wù)(PPS)，SPS用戶只能得到調(diào)制在L1載波上的C/A碼，平面定位精度為15～25m(95%)，PPS用戶可以得到調(diào)制在L1和L2兩個(gè)頻率上的PY碼，平面定位精度為12m(95%)。為限制敵方利用C/A碼對美國構(gòu)成威脅，美國于1990年對GPS實(shí)施SA政策，人為降低C/A碼平面定位精度到100m(95%)。近年來，由于受GPS應(yīng)用技術(shù)發(fā)展和其他導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)競爭的挑戰(zhàn)，美國已于2000年5月1日取消了SA，GPS(SPS)的定位精度達(dá)到10～20米的水平。

二、GPS的組成

GPS由空間部分、地面控制部分和用戶部分組成。

（一）空間部分

GPS空間部分由24顆衛(wèi)星組成。衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)傾角為55°的軌道面上，每個(gè)軌道有4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星用兩個(gè)L波段頻率發(fā)射測距信號。衛(wèi)星軌道采用近圓軌道，衛(wèi)星高度約20200公里，周期約12恒星時(shí)。因此，同一觀測站上，每天出現(xiàn)的衛(wèi)星分布圖形相同，只是每天提前約4分鐘。至今GPS已發(fā)射了三代衛(wèi)星。第一代BLOCM衛(wèi)星，用于全球定位系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，通常稱為GPS實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。目前BOLCKI實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星已完全停止工作。第二代BLOCKII+BLOCKIIA衛(wèi)星組成21+3的衛(wèi)星星座，通常稱為GPS工作衛(wèi)星。第二代衛(wèi)星共研制了28顆，衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命為7.5年，從1989年初開始，至1994年上半年已發(fā)射完畢?？臻g部分的3顆備用衛(wèi)星，可在必要時(shí)根據(jù)指令代替發(fā)生故障的衛(wèi)星，這對于保障GPS空間部分正常而高效地工作是極其重要的。目前，第三代GPS衛(wèi)星BLOCKIIR/BLOCKIIF已經(jīng)開始發(fā)射，衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命為12.5年，將裝載更穩(wěn)定的原子頻標(biāo)，發(fā)播更穩(wěn)定、使用周期更長的導(dǎo)航電文。

GPS衛(wèi)星在軌道內(nèi)的分布不是均勻分布的，這樣分布的好處是，當(dāng)GPS衛(wèi)星中有衛(wèi)星發(fā)生故障時(shí)，不至于對星座有嚴(yán)重的破壞。其后許多研究提出了對GPS衛(wèi)星星座的改進(jìn)方案，如有類似GALILEO系統(tǒng)的30顆衛(wèi)星分布在3個(gè)軌道面的方案和類似GLONSSS的24顆衛(wèi)星分布在3個(gè)軌道面的方案。

（二）地面控制部分

地面控制部分，目前由分布在全球的5個(gè)地面站組成，其中包括地面監(jiān)測站、主控站和注入站。

1．監(jiān)測站

現(xiàn)有5個(gè)地面監(jiān)測站。監(jiān)測站是在主控站直接控制下的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集中心。站內(nèi)設(shè)有雙頻GPS接收機(jī)、高精度原子鐘、計(jì)算機(jī)各一臺(tái)和若干臺(tái)環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器。接收機(jī)對GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測，以采集數(shù)據(jù)和監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀況。原子鐘提供時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，而環(huán)境傳感器收集有關(guān)當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)。所有觀測資料由計(jì)算機(jī)進(jìn)行初步處理，并儲(chǔ)存和傳送到主控站，用以確定衛(wèi)星的軌道。

2．主控站

主控站一個(gè)，設(shè)在美國的本土科羅拉多(Colorado Spring)的聯(lián)合空間執(zhí)行中心CSOC。主控站除協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)工作外，其主要任務(wù)是：①根據(jù)本站和其他監(jiān)測站的所有觀測資料，推算編制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣層的修正參數(shù)等，并把這些數(shù)據(jù)傳送到注入站；②提供全球定位系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)。各測站和GPS衛(wèi)星的原子鐘，均應(yīng)與主控站的原子鐘同步，或測出其間的鐘差，并把這些鐘差信息編入導(dǎo)航電文，送到注入站；③調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定的軌道運(yùn)行；④起用備用衛(wèi)星，以代替失效的衛(wèi)星。

3．注入站

注入站現(xiàn)有三個(gè)，分別設(shè)在印度洋的迭哥加西亞(Diego Garcia)、南大西洋的阿松森島(Asencion)和南太平洋的卡瓦(Kwajalein)。注入站的主要設(shè)備包括一臺(tái)直徑為3.6m的天線，一臺(tái)C波段發(fā)射機(jī)和一臺(tái)計(jì)算機(jī)。其主要任務(wù)是在主控站的控制下將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電文和其他控制指令等，注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)系統(tǒng)，并檢測注入星系的正確性。整個(gè)GPS的地面監(jiān)控部分，除主控站外均無人值守。各站間用現(xiàn)代化的通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，在原子鐘和計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)和精確控制下，各項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了高度的自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化。

（三）用戶部分

GPS的空間部分和地面監(jiān)控部分，是用戶應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行定位的基礎(chǔ)，其應(yīng)用主要是通過用戶部分來實(shí)現(xiàn)。用戶部分主要包括各種類型的用戶接收機(jī)設(shè)備和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件。

GPS接收機(jī)，一般包括主機(jī)、天線和電源，主要功能是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，以獲得必要的導(dǎo)航和定位信息及觀測量，并經(jīng)簡單數(shù)據(jù)處理而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)航和定位。GPS軟件部分是指各種后處理軟件包，其主要作用是對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行精加工，以便獲得精密定位結(jié)果。GPS接收機(jī)的分類按不同的方式有不同的分法。

按應(yīng)用類型可分為：導(dǎo)航型、測量型和授時(shí)型。

按頻率可分為：單頻接收機(jī)、雙頻接收機(jī)。

三、結(jié)束語

GPS是目前世界上應(yīng)用最為廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)在各行業(yè)各方面發(fā)揮著重要的作用，隨著GPS的完善和豐富，它將在更多的行業(yè)發(fā)揮其更大的作用。

作者簡介：

劉軍靜，河北省沙河市煤炭局，助理工程師，從事煤炭安全監(jiān)控工作。