gps星座介绍

gps星座介绍

前几期和大家分享了世界上四大卫星定位技术和系统，这期从测绘方面来详细介绍GPS系统的构成，以及它们各自的任务和作用。

GPS系统包括三大部分：①空间部分——GPS卫星星座；②地面控制部分——地面监控系统；③用户设备部分——GPS信号接收机。

1、GPS的工作卫星及其星座

GPS的卫星星座是由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，称作（21+3）GPS星座。

▲GPS卫星星座的详解

在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们就已经绕地运行两周了，也就是说，卫星绕地运行一周的时间为12恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。

而位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而改变，最少可见到4颗，最多可以见到11颗。

在用GPS信号导航定位时，为了解算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，这种方式称为“定位星座”。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位的精度是有影响的。在某时某地，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。

GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。

▲卫星编号的方法

GPS卫星的核心部件是高精度的时钟、导航电文存储器、双频发射和接收机以及微处理机。而对于GPS定位成功的关键，在于高稳定度的频率标准。

这种高稳定度的频率标准由高度精确的时钟提供。因为1纳秒的时间误差就会引起30cm的站星距离误差。为此，每颗卫星一般都装备两台铷原子钟和两台铯原子钟，并计划未来采用更稳定的氢原子钟。

GPS卫星虽然发送几种不同频率的信号，但是它们均来源于一个基准信号（其频率为10.23MHz），所以，只需要启用其中一台原子钟，其余则作备用。卫星钟由地面站检验，它的钟差、钟速以及其他信息由地面站注入卫星后，再广播给用户设备。

▲GPS卫星的作用详解

2、地面监控系统

对于导航定位来说，GPS卫星是一个动态的已知点。卫星的位置是依据它所发射的星历（一种描述卫星运动及其轨道参数的文件）来算出的。而每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。

卫星上的各种设备是否正常运作，以及卫星是否一直按预定轨道运行等等，都要由地面设备进行监测和控制。

GPS星历

地面监控系统另一个重要的作用则是：保持各颗卫星处于统一的时间标准（即GPS时间系统）。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差，然后由地面注入站发送给卫星，卫星再通过导航电文的形式广播给用户设备。

GPS工作卫星的地面监控系统包括：1个主控站、3个注入站、5个监测站。

▲地面监控系统的分类

3、GPS信号接收机

GPS信号接收机的任务是：捕获 按一定的卫星高度截止角所选择的 待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，从而测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，并解译出卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维坐标、三维速度以及时间。

▲GPS接收机测量作业

在静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。

而在动态定位中，则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS接收机所在的运动物体称为载体（如船舶、飞机、车辆等）。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球来说是运动的，接收机通过GPS信号实时地测得运动载体的状态参数（瞬时的三维位置和三维速度）。

▲夕阳下的GPS接收机

接收机的硬件和机内软件，以及GPS数据的后处理软件包，构成了完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。

对于早期的测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元则置于测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。另外，也有将天线单元和接收单元制作成一个整体的，观测时将其安置在测站点上就可以了。

▲南极测量作业的GPS接收机

GPS接收机一般用蓄电池作电源，同时也会采用机内机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外置电池时不中断连续观测。而在工作时使用外置电池，内置电池也会自动充电。关机后，内置电池为RAM存储器供电，防止数据丢失。

▲静态定位测量的GPS接收机

最近几年来，国内也引进或是国产了很多高端的“测地型接收机”，它们能够很好的兼容GPS、GLONASS、伽利略系统以及我们的北斗导航卫星系统，定位精度也达到了厘米级，并且接收机的体积越来越小、重量越来越轻，更便于我们的外业测量。

本期介绍完GPS系统的构成，前几期内容详见（〖测天绘地〗关于“北斗”系统，你知其一，这里还有其二（3）

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下期预告：GPS在国民经济建设中的应用。

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