GPS全球定位系统由几部分组成？

+ 刘天雄

GPS全球定位系统由几部分组成？

+ 刘天雄

GPS全球定位系统由空间段（SS）、地面控制段（CS）以及用户段（US）三个独立的部分组成，简单说，就是天上飞的卫星、地面的控制站以及手里拿的导航仪，如图1所示。

其中导航卫星不间断地播发中心频率分别为1575.42MHz（L1），1227.60MHz（L2）的两种导航信号，信号包括调制在载波上的测距码和卫星轨道参数等导航电文信息。地面的控制站由主控站(负责管理、协调整个地面控制系统的工作)、地面天线(在主控站的控制下，向卫星注入导航信息)、监测站(数据自动收集中心)和通讯辅助系统(数据传输)组成。用户导航仪免费接收空间部分的无线电信号，一般民用用户接收机只能接收L1频段信号（授权用户可以同时接收L2频段信号），接收导航电文，经译码解码等数据处理，完成位置解算。

一、空间段

1.GPS卫星星座

GPS星座的设计以及在轨备份策略比较复杂，将卫星发射到哪个轨道面和哪个位置，需要综合考虑如下五个因素：

（1）系统定位精度、授时精度、完好性、连续性、可用性等关键指标要求；

（2）星座中卫星的健康状态，包括预计失效时间等，不同卫星失效对星座性能的影响；

（3）用户对于导航卫星的可见性；

（4）卫星更新换代的考虑；

（5）上行注入站的数量和卫星发射等费用等各种因素进行多目标优化求解的结果。

1978-1979年是GPS的方案论证和初步设计阶段，GPS最初轨星座方案是Walker24/3/2型，如图2所示，即24颗卫星分布在3个圆形轨道平面上，每个轨道平面8颗，轨道倾角63°，轨道高度为20200km。轨道平面沿赤道等间隔分布。Walker24/3/2建设计划及服务能力如图3所示。此外，每个轨道平面配有1颗备用卫星，这不但能保证1颗卫星偶然中断工作时或失效后系统仍然可以正常工作，也可以确保用户视场内至少能观测到6颗卫星，最多能观测到11颗卫星，能够提供连续的全球4重或5重覆盖，从而较大的冗余观测量，系统能够容许任何暂时的卫星故障，在这个意义上讲，系统是稳健的。

1978年2月美国发射第1颗GPS BLOCK-Ⅰ卫星，由于对GPS系统应用前景不明朗以及预算等问题，1979年卫星系统减少为18颗，不能满足原先星座设计的性能要求。为了保证在某一卫星发生故障时，系统仍满足用户有效覆盖要求，将3个轨道改为6个轨道，即改用Walker18/6/2星座构形，轨道倾角55°。这种星座构形设计不能使所有区域均得到很好的覆盖，而且对卫星故障十分敏感，系统的可用性和完好性不能保证。

在GPS发展史上有一重大国际事件影响了GPS系统的发展，1983年9月，一架南朝鲜民用航空客机因迷路误入前苏联领空而被其战斗机击落，美国总统里根宣布一旦GPS建成将开放给公众使用，从而开启GPS民用的大门。为了更好地为公众服务，1988年，GPS全球定位系统的空间段恢复Walker24/3/2星座设计。1979-1984年，又陆续发射了7颗称为BLOCK-I的试验卫星，研制了各种用途的接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准，利用粗码定位，其精度就可达14m。

1989年2月4日成功发射第一颗GPS工作卫星，宣告GPS系统进入工程建设状态。这一阶段的卫星称为BLOCK-II 和BLOCK-IIA。1993年美国国防部宣布GPS系统提供初始运行服务（IOC），同年美国国防部宣布GPS系统对全世界开放，免费使用。1994年3月，最后一颗BLOCK-II卫星发射并组网运行。GPS系统建成Walker24/6/2星座，在轨卫星数24颗，分布在6个近圆形轨道面上，各个轨道平面之间相距60度，每个轨道面上有4颗卫星，备份星分布在B、D、F轨道面上，每一个轨道平面内各颗卫星之间的升交点角相差90°，任一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30°,卫星轨道倾角为55°，轨道高度为20200km，周期为11h58min，卫星运行速度为3.87 km/s，如图4所示。

图5 太阳风对地球磁场的影响

图6 发射中的Delta IV运载火箭

图7 Block IIF卫星在轨展开示意

GPS系统Walker24/6/2星座使得导航卫星20200km的轨道高度上飞行时，尽管位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，但对于地面用户来说，最少可以同时见到4颗导航卫星，最多可见到10颗。Walker24/6/2星座中，6个轨道平面且依次以A、B、C、D、E、F命名，每一个轨道上均匀分布4颗GPS工作卫星，处于同一个轨道上的卫星，则以该轨道之名加上序号的方法，表示该颗卫星所在的轨道位置。只有偶数轨道面配置了备份星，这样的星座设计可以保证卫星信号的全球多重覆盖，获得较好的导航定位精度，而且满足系统的连续性和可用性要求，有利于实现接收机自主完好性监测（RAIM），确保导航信息的安全可靠。

1995年7月17日，美国宣布GPS提供全面运行服务(FOC)，美国空军承诺维护24颗卫星长期稳定运行，根据预计的故障而不是需要或固定周期来发射补充卫星。这样，新的替补卫星将在实际需要之前进入轨道，以免因卫星故障而出现可见卫星数目的减少和覆盖漏洞，保证GPS的可用性和连续性。

2.GPS卫星轨道及其空间环境

GPS的轨道方案，其目的在于：

(1)增大地面可见面积。轨道越高，从卫星上能够看到的地球表面面积就越大。例如，一颗高度为1000km的卫星，能见到的地面面积为地球总面积的6.7%。当卫星升高到20200km时，可见到的地面面积占38%，但轨道过高将使得无线电信号在传输过程中受到空间其他不利的影响。

(2)增强均匀覆盖。当用圆形轨道时，卫星运行到轨道的任何位置，它对地面的距离和波束覆盖面积基本上不变。在卫星波束覆盖区域内，用户所接收的卫星射电信号强度相似，收到卫星导航定位信号的时间也大致相等，这对DGPS测量是很有益处的。

空间环境是诱发航天器故障的主要原因之一。这里指的空间环境，是日地空间环境。航天器在这个区域里遭遇的环境有高层大气，还有地磁场、重力场，在空间中有大量的高能带电粒子存在，能量非常高的银河宇宙线，太阳宇宙线。地球是有磁场的，在地球的周围形成了两个辐射带，辐射的强度很强，一个是内辐射带，靠地球比较近，从200多千米一直到两万千米左右，中心区域在两万千米左右。外辐射带，距离地球稍微远一些，中心达到三万多千米。还有空间等离子体，包括电离层、磁层等离子体、太阳风。还有太阳电磁辐射、微流星、空间碎片和空间污染等等。

如图5所示。太阳风和地磁场发生作用的界面叫做地球的磁层，这个空间充满着大量的等离子体。太阳风暴释放的巨大电磁能量会压缩地球磁场，如果地球磁场被压缩到一定程度，太阳风很容易干扰卫星。

地球的电子带和质子带作用于卫星的一些关键部件、电路等，会对卫星部件造成永久性损坏。高能带电粒子环境会使航天器的材料、器件、太阳电池航等产生辐射损伤，使微电子器件和设备产生单粒子效应，而强离子流还可能将卫星推离轨道，对卫星的定位精度也会产生影响。

此外，高能量的太阳辐射激活大气电离层，产生大量的离子，会对卫星与地球之间的信号发射产生干扰，因而会产生时间、距离方面的延迟，有时信号甚至会完全中断。空间等离子体会使航天器表面和深层介质充放电，导致航天器内产生电磁干扰引发。

空间环境对卫星导航系统的影响主要包括如下几个方面：

(1)大气层中的电离层和同温层对无线电导航信号传播的影响；

(2)太阳风对地球磁场的影响；

(3)空间等离子体、辐射及高能粒子对星上电子产品功能、性能的影响；

(4)太阳光压对卫星姿态的影响；

卫星导航系统需要特别研究大气层中电离层、对流层、电波干扰和多径效应，以及它们的缓解技术和对策，因为这些因素都会影响系统工作、定位精度、完好性、可用性、连续性和可靠性等一系列关键指标，不仅影响定位、导航和授时的精度，也会干扰用户接收机的正常工作，甚至导致信号中断。尤其是在茂密的森林内、城市、峡谷中以及各种各样室内应用，都受到电波传播环境条件的限制。

3.GPS卫星

1978-1985年，美国洛克韦尔国际公司研制了用于验证星地试验系统的11颗第一代GPS全球定位系统卫星（Block-I），该公司现为美国波音公司的组成部分。1989年至2010年，美国洛马公司研制了GPS的全部49颗组网工作卫星（Block-II/IIA/ IIR/ IIR-M）。2010年至2015年，计划由美国波音公司研制GPS全球定位系统替代工作卫星（Block-IIF）。

1996年4月R洛克韦尔国际公司获得研制GPS全球定位系统12颗新一代GPS导航卫星Block-IIF的研制合同，第一颗Block-IIF卫星于2010年5月28日在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地利用德尔塔-IV中型运载火箭成功发射。2011年7月16日，联合发射联盟德尔塔-IV中型运载火箭将第二颗GPS IIF卫星送入太空，是计划中12颗GPS IIF卫星的第二颗，进入轨道后编号为SVN-63。发射中的Delta IV运载火箭如图6所示，卫星在轨展开示意如图7所示。

图8 Block-IIF卫星研制过程中的照片

利用空间4颗导航卫星实现三角定位原理看起来似乎很简单，但用户对卫星导航系统的连续性、完好性及可用性要求，使得卫星导航系统工程实现十分复杂。通俗地讲，卫星导航用户享受定位、导航及授时服务，就像日常使用水和电一样，不能中断。航空使用关乎生命安全，电力、通信及金融使用关乎经济安全，大众使用关乎公共安全。一个承诺提供可靠服务的卫星导航系统，要采取各种可靠性措施来保障。导航卫星的可靠性、安全性及自主运行技术代表行业的最高成就。

Block-IIF卫星在设计思想上与Block-IIR相同，卫星平台对新任务有更大的灵活性，在安装面积、质量和功耗上都留有一定的余度，星上处理能力进一步加强，增强了反电子欺骗能力，增大了太阳能电池板，延长了服务寿命（设计运行寿命15年）。Block-IIF卫星系统前期Block-II/ IIA/IIR/IIR-M卫星系统兼容，同时，Block -IIF还将考虑与未来开发的未来导航卫星系统（Block-III）的兼容。Block-IIF在寿命、可靠性、功率等方面都超过了以往型号，研制过程中的照片如图8所示。

Block-IIF卫星除了定位、导航及授时（PNT）任务，每颗卫星上装有核爆检测系统（NDDS）。Block—IIF系列卫星是维持GPS系统星座稳定运行以及美国国家安全十分关键的一步。

Block-IIF卫星增加了L5频率（1176MHz），即第三个民用信号，随着第三个导航定位信号的增设，以及GPS广播星历的在轨自主更新，对于测地用户而言，能够实现伪距和载波相位测量的无电离层效应影响的组合解算，求解稳定可靠，将超长基线向量的解算精度提高到一个新水平。对于动态用户而言，不仅能够稳获厘米级的实时点位精度，而且将能用GPS卫星导航取代现行的所有无线电导航，开创卫星导航的新时代。对于GPS外部增强系统而言，它的作用将随之而淡化，主要服务于GPS卫星导航定位信号的完好性监测，而不是提高实时点位精度。

此外，Block -IIF卫星将加密军用M码信号，保证美军及其盟军的军事行动的安全性，增强自动控制和快速在轨调整。同时致力于GPS现代化，GPS现代化是保持美国空间的领先优势作为美国安全战略重要手段，空间力量给美国在全球范围内胜利完成军事行动提供了可靠的保证。

图10 样式各异的GPS全球定位系统接收机

此外，Block-IIF星上装有精度更高的新一代原子钟—数字化铯钟，其时间精度为每天80亿分之1秒，第一次采用该铯钟是美国海军试验室长期研究频率标准技术的最新成果，铯钟受处理器控制，可以连续地优化内部性能，调整内部参数以补偿周围环境的影响，也可以执行自校验诊断技术，能极大地提高性能，同时将原子钟各环节的健康状况下传给地面控制部门。

二、地面控制段

图11 GPS全球定位系统运控系统OCS地面站组成

GPS地面控制段又称运控系统（OCS），由遍布全世界的地面站组成，由一个位于美国范登堡空军基地的主控站（MCS），5个分别位于夏威夷岛、范登堡空军基地、阿森松岛、迭戈加西亚岛以及夸贾林岛的监控站，以及3个用于给在轨卫星上传信息的大型地面天线站组成。如图9示。

地面控制段主要是收集在轨卫星运行数据，计算导航信息，诊断系统状态，调度卫星。卫星上的各种仪器设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面控制部分另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准，即GPS时，这就需要地面站监测各颗卫星的星载原子钟信息，求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。地面控制段工作信息流如图10所示。地面控制段可以出于美国国家政治、军事和安全考虑而有意干扰导航信号从而降低特定区域的定位精度。

主控站（MCS）拥有以大型计算机为主体的数据收集、计算、传输、诊断等设备，对地面监控系统实行全面控制，主要任务是收集并处理各监测站对GPS卫星的全部观测数据，包括各监测站测得的距离和距离差、气象要素、卫星时钟和工作状况的数据，监测站自身的状态数据等，根据收集的数据及时计算每颗GPS卫星的星历，时钟改正值，状态数据以及信号的大气传播改正，并按一定格式编制成导航电文，传送到注入站。

监控站监控整个地面监控系统是否工作正常，检验注入卫星的导航电文是否正确，监测卫星是否将导航电文发出；调度备用卫星替代失效的工作卫星，将偏离轨道的卫星“拉回”到正常轨道位置。监控站是为主控站编算导航电文提供观测数据，每个监测站均用GPS信号接收机测量每颗可见卫星的伪距和距离差，采集气象要素等数据，并将它们发送给主控站。监控站安装有高精度原子钟、高精度GPS用户接收机，收集当地气象数据，同时对接收到的卫星系统相关数据进行初步处理并将这些数据传送至主控站。

范登堡空军基地监控站同时具有信息上注功能，又称注入站，它的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星，每天对每颗GPS卫星离开注入站作用范围之前进行最后的信息注入。

简而言之，GPS全球定位系统地面控制部分的主要任务有以下五点，

(1)监控导航卫星飞行轨迹同时外推算卫星的轨道数据（星历）；

(2)监测卫星原子钟时间的同时预测星钟的状态（钟差）；

(3)同步星载原子钟与地面运控系统原子钟的时间；

(4)注入导航数据及运控指令到卫星；

(5)转发导航卫星导航电文，包括卫星健康状态信息等。

三、用户段

GPS用户段是指所有军用和民用GPS接收机（又称导航仪），可以安装在卫星、飞机、舰船、坦克、潜艇、汽车、卡车、武器以及士兵装备中。接收机大大小小，千姿百态，有袖珍式、背负式、也可以是手持式的，样式各异，型号不同，如11图示，但是它们的工作原理相同，都是捕获导航卫星播发的信号，经过检测、解码以及处理GPS信号三个主要流程来解算导航信息，实时地计算出测站的三维位置，位置，甚至三维速度和时间。

GPS接收机的基本结构可概括为天线单元和接收单元两大部分，其中天线单元由接收天线和前置放大器两个部件组成。接收单元信号波道是核心部件，是一种软硬件相结合的有机体，它具有的波道数目1～12个。数据记录器是在野外作业过程中用来记录接收机所有采集的定位数据，以供测后数据处理之用。视屏监控器包括一个视屏显示窗和一个控制键盘，用户通过按键可从视屏窗上读取所要求的数据和文字。GPS全球定位系统接收机现在一般都是12通道的，可以同时接收12颗卫星。早期的型号，比如GARMIN 45C就是8通道。GPS接收机收到3颗卫星的信号可以输出2D（就是2维）数据，只有经纬度，没有高度，如果收到4颗以上的卫星，就输出3D数据，可以提供海拔高度。但是因为地球自己的问题，不是太标准的圆，所以高度数据有一些误差。现在有些GPS接收机内置了气压表，比如etrex的SUMMIT和 VISTA，这些机器根据两个渠道得到的高度数据综合出最终的海拔高度，已经比较准确。不同类型民用接收机如12图示。GPS卫星发送的导航定位信号，是一种可供不限量用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要用户拥有能够接收、跟踪、转换和测量 GPS信号的接收设备，就可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。GPS接收机的使用要在开阔的可见天空下，手持GPS的精度一般是误差在10m左右，就是说一条路能看出走左边还是右边。精度主要依赖于卫星的信号接收和可接收信号的卫星在天空的分布情况，如果几颗卫星分布的比较分散，GPS接收机提供的定位精度就会比较高。

目前世界上已有几十家工厂生产GPS接收机，主要生产厂家有美国、英国、日本、德国、加拿大等数十家公司。接收机种类很多，产品也有几百种，这些产品可以按照原理、用途、功能等来分类。一般常见的手持机接收L1信号，还有双频的接收机，做精密定位用的。典型手持式接收机大小与手机差不多，目前已经开发出GPS信号解算集成芯片（比较知名的是Sirf芯片），很多厂商将这些芯片再集成到腕表以及手机中，像具有照相功能的手机一样，目前具有导航功能的手机已成为智能手机的标配。想像手机的普及程度，不难想像这里的巨大商机。

+ SATNET

图12 不同类型民用GPS接收机