GPS大百科 細(xì)說導(dǎo)航系統(tǒng)的組成部分

  GPS的一般認(rèn)同就是作為導(dǎo)航使用的，那么什么叫做導(dǎo)航呢？導(dǎo)航的定義是“使載體或者人員從一個(gè)地方到另外一個(gè)地方的科學(xué)”。在我們?nèi)粘Ｉ钪校覀儫o時(shí)不刻都會(huì)接觸到導(dǎo)航的概念，從我們上下班到乘坐交通工具，無論是我們的經(jīng)驗(yàn)還是車站的站牌，如果沒有“導(dǎo)航”的概念存在其中，那么我們無法從一個(gè)地方到另外一個(gè)地方。

 利用大型系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航服務(wù)其實(shí)并不是從GPS系統(tǒng)開始的。簡(jiǎn)單來說我們可以把導(dǎo)航系統(tǒng)的裝置分為陸基與星基兩種，前者的導(dǎo)航系統(tǒng)裝置是設(shè)計(jì)在陸地上的，工作頻率較高的裝置定位精度高但是會(huì)受到“視線”（遮蔽物）的影響，而工作頻率較低的裝置其定位精度較低，所以一般適用在低動(dòng)態(tài)（移動(dòng)速度低）的定位對(duì)象上。

導(dǎo)航系統(tǒng)分為路基與星基兩種

    而GPS系統(tǒng)在上世紀(jì)60年代就已經(jīng)出現(xiàn)了構(gòu)想，在1964年建成了子午儀系統(tǒng)，適用于低動(dòng)態(tài)對(duì)象上。在對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航的技術(shù)逐步改進(jìn)、修改實(shí)驗(yàn)之后，GPS系統(tǒng)就孕育而生了。

GPS導(dǎo)航衛(wèi)星上載有高精度原子時(shí)鐘用于授時(shí)

    GPS系統(tǒng)因?yàn)槠浯钶d了高精度的原子時(shí)鐘，可以為高動(dòng)態(tài)對(duì)象提供精準(zhǔn)的定位服務(wù)，加上2000年以來，美國(guó)取消了對(duì)GPS系統(tǒng)的植入誤差，這樣地球上絕大多數(shù)的地方都能夠從GPS民用信號(hào)上獲得精度最高在3米左右的定位質(zhì)量，成為了現(xiàn)在我們應(yīng)用最為廣泛的衛(wèi)星定位技術(shù)。

    今天我們就將GPS系統(tǒng)分為幾個(gè)部分來為大家講解一下什么是GPS系統(tǒng)，相信不少對(duì)于GPS系統(tǒng)特別關(guān)心的朋友們一定很想知道，通過廣播式的信號(hào)接收運(yùn)算，如何能夠使我們實(shí)時(shí)進(jìn)行高精度的定位的，通過本文我們來簡(jiǎn)單的了解一下。

 GPS系統(tǒng)雖然是一個(gè)衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，但是其組成部分卻并不只有衛(wèi)星部分，GPS全球定位系統(tǒng)一共由三個(gè)部分組成，首先是我們很熟悉的衛(wèi)星星座、其次是同樣非常重要的地面控制/監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、最后就是我們用戶自己的接收設(shè)備了。可能有的人會(huì)說，為什么要把GPS系統(tǒng)分為三個(gè)部分呢？那有衛(wèi)星在天上之后就可以進(jìn)行定位了，為什么還需要地面控制呢？我們先來簡(jiǎn)單的將這三個(gè)部分為大家講解一下。

GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖

    首先GPS系統(tǒng)對(duì)于我們用戶來說是一個(gè)無源系統(tǒng)，即用戶的接收機(jī)只負(fù)責(zé)接收、解碼、計(jì)算工作，并不會(huì)返還數(shù)據(jù)，所以只要信號(hào)覆蓋到的地方，可以有無數(shù)的用戶使用GPS系統(tǒng)，這與我們的廣播電臺(tái)的原理相似。

    GPS衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)配置為24顆衛(wèi)星，但是目前因?yàn)橛谐瑫r(shí)服役的衛(wèi)星加上新的衛(wèi)星補(bǔ)充進(jìn)去，其實(shí)數(shù)量上已經(jīng)超過了24顆衛(wèi)星的配置，其運(yùn)行的軌道也做了相應(yīng)的調(diào)整。GPS衛(wèi)星的運(yùn)行軌道是分布在6條軌道上，而每條軌道上標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星顆數(shù)為4顆，軌道運(yùn)行一圈的時(shí)間近似12小時(shí)（半個(gè)恒星日），保證了在絕大多數(shù)地方都能夠提供有效穩(wěn)定的導(dǎo)航服務(wù)。

 導(dǎo)航衛(wèi)星上搭載有L1、L2頻段的信號(hào)，在Block IIF衛(wèi)星開始增加了L5頻段的信號(hào)，其衛(wèi)星的發(fā)展情況我們大致做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。

    Block I衛(wèi)星是GPS系統(tǒng)最早的衛(wèi)星，目的是為了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，因此只制造了11顆衛(wèi)星，于1978年至1985年之間發(fā)射，但是因?yàn)樾l(wèi)星上只能存儲(chǔ)3.5天的星歷，所以需要頻繁的與地面聯(lián)系做上載新的數(shù)據(jù)。如果沒有地面進(jìn)行管理，衛(wèi)星在很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生姿態(tài)變化影響到實(shí)際的導(dǎo)航定位需求。衛(wèi)星上搭載了銣/銫原子時(shí)鐘各兩臺(tái)。雖然設(shè)計(jì)壽命為5年左右，但是不少衛(wèi)星堅(jiān)挺的工作超過壽命兩倍多，為之后的衛(wèi)星設(shè)計(jì)以及故障分析留下了寶貴的數(shù)據(jù)。

    Block II衛(wèi)星是借鑒了上一代衛(wèi)星之后，進(jìn)行改善后的第二代衛(wèi)星，共9顆衛(wèi)星與1989年開始發(fā)射，衛(wèi)星內(nèi)置存儲(chǔ)提高到14天的星歷，并且實(shí)現(xiàn)了自主的動(dòng)量控制，這樣可以減少與地面控制的頻繁聯(lián)系，內(nèi)部搭載多臺(tái)銣/銫原子時(shí)鐘。平均設(shè)計(jì)壽命為6年，但是衛(wèi)星實(shí)際工作的時(shí)間長(zhǎng)度平均約12年。這也是GPS系統(tǒng)初期的衛(wèi)星產(chǎn)品。

    而后出現(xiàn)多了Block IIA衛(wèi)星與上一代衛(wèi)星十分類似，增強(qiáng)了系統(tǒng)的一些功能，比如說將自主運(yùn)行時(shí)間擴(kuò)大至180天，衛(wèi)星可以連續(xù)工作6個(gè)月無需和地面聯(lián)系。共生產(chǎn)了19顆。

    Block IIR衛(wèi)星則是為了全面兼容及替換Block II與Block IIA衛(wèi)星而生產(chǎn)的，支持GPS系統(tǒng)所需要的基本特性，L1頻段上的C/A和P（Y）碼以及L2頻段上的P（Y）碼。所有的Block IIR衛(wèi)星都帶有3個(gè)銣原子頻標(biāo)（RAFS），簡(jiǎn)單來講就是更加先進(jìn)的始終標(biāo)準(zhǔn)，Block IIR在設(shè)計(jì)中還大大加強(qiáng)了物理封裝，從而提高了衛(wèi)星的穩(wěn)定性與可靠性。后有改良的Block IIR-M衛(wèi)星，重新設(shè)計(jì)了L1/L2的發(fā)射器等許多硬件設(shè)備。

    由于軍事需要，被要求增加新的軍用捕獲碼以及新的L5民用頻段信號(hào)的增加，Block IIF就孕育而生了，而目前Block IIF衛(wèi)星根據(jù)最近的報(bào)道來看，生產(chǎn)公司已經(jīng)交由波音公司，并且發(fā)射時(shí)間也比預(yù)定的2007年開始要晚了幾年。GPS IIF衛(wèi)星增強(qiáng)了軍事抗干擾能力，并且載有更加先進(jìn)技術(shù)的原子鐘，衛(wèi)星載有新的第三個(gè)民用信號(hào)，設(shè)計(jì)壽命延長(zhǎng)為12年。

    基本上以上就是GPS衛(wèi)星的一個(gè)簡(jiǎn)單的發(fā)展歷史，GPS衛(wèi)星其實(shí)在構(gòu)造上并沒有我們想象中的那么復(fù)雜。簡(jiǎn)單來說就是內(nèi)置有統(tǒng)一時(shí)間的原子鐘，經(jīng)由頻率發(fā)生器然后從發(fā)射端廣播出去；并且內(nèi)置有與地面控制段通訊的設(shè)備，太陽(yáng)能提供能源，并且?guī)в型七M(jìn)器進(jìn)行實(shí)時(shí)的姿態(tài)控制。

    小記：GPS衛(wèi)星在發(fā)展的過程中為了保證前后的兼容性，基本原理是沒有變化的，主要加強(qiáng)了原子時(shí)鐘的準(zhǔn)確度以及衛(wèi)星的質(zhì)量與穩(wěn)定性，目前GPS系統(tǒng)的星座數(shù)量已經(jīng)超過了最初的設(shè)計(jì)數(shù)，并且在不斷的加強(qiáng)中，與其他國(guó)家在建的導(dǎo)航系統(tǒng)相比依舊有很大的優(yōu)勢(shì)。

整理：洪麓豐