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GPS组成

  GPS主要由三大部分组成:空间卫星部分,地面控制部分,用户接收机部分。

1、GPS空间卫星

  GPS卫星是由洛克韦尔国际公司空间部研制的,卫星重约774KG,采用铝峰巢结构,主体呈柱形,直径为1.5m。卫星的供电部分为对日定向太阳能电池帆板,板面始终对准太阳,为卫星不断地提供电力,同时给镍镉电池充电,保证在地影区卫星仍能正常工作。星体底部装有多波束定向螺旋天线阵,能发射L1和L2波段的信号,其波束方向图能覆盖约半个地球,星体两端面上装有全向遥测遥控天线,用于与地面监控网通,GPS卫星上采用了铯原子钟作为频率标准,保证了所有卫星能够在一个月或者更长时间内独立工作而无需地面校正,也保证了精密定位的要求,此外,卫星上还装有姿态控制系统和轨道控制系统。

  (21+3)颗GPS卫星分布在互成60度的6个椭圆形轨道上,轨道倾角为55度,每个轨道面上布设4颗卫星,卫星轨道的长半轴为26609Km,偏心率为0.01,卫星运行高度为2020Km,运行周期为12h。此轨道参数能保证卫星信号覆盖地面面积的38%,地球上任何一点任何时刻均能够同时观测到至少4颗GPS卫星,当波束覆盖区域内,用户接收到的卫星信号强度近似相等,即用定位的卫星信号信噪比近似相等。

    GPS卫星的作用是向广大用户连续不断的发送导航信号(又称GPS信号),并用导航电文报告自己的现时位置以及其他在轨道卫星的概略位置:接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令—如适时地改正运行偏差,或者起用备用时钟等命令:在飞越注入上空时,接收由地面注入站用S波段发送到卫星的导航电文和其他相关信息,并通过GPS信号形成电路适时地发送给广大用户。GPS卫星在空间的缝补如图2-2所示。
            
2.地面控制部分

    GPS的地面控制部分主要用来测量和计算每颗卫星的星历,编辑成电文发送给卫星,即卫星所提供的广播星历。
地面控制部分由1个主控站、3个注入站和5个检测站组成,主控站位于Colorado Springs的联合空间执行中心,3个注入站分别设在大西洋、印度洋和太平洋的Kwajalein岛、5个检测站设在主控站和3个注入站以及Hawaii岛。

    检测站是一种无人值守的数据采集中心,其任务是对每颗卫星进行连续不断的观测,并在主控站的控制下定时将观测数据送往主控站。5个检测站所提供的观测数据形成了GPS卫星实时发布的广播星历。主控站的任务是提供GPS的时间基准,控制地面部分和卫星的正常工作,包括处理由各检测站送来的数据,编辑各卫星星历,计算各卫星钟的钟差和电离参校正等参数,并将这些导航信息通过给注入站;控制卫星运行轨道、起用备用卫星。注入站的任务是在卫星通过其上空时把导航信息注入给卫星,并负责监测信息的正确性。

3.用户接收机部分

上述两大部分是由专机投资建立、维护和运行的,一旦工作,将不间断地提供导航信息,改信息可供所有具有GPS接收机的用户所使用,GPS接收机的基本构图如图2-3所示。
          
    GPS接收天线种类繁多,如定向天线、偶极子天线,微带天线、螺旋天线等。由于信号完全淹没在噪声之中,需要在天线后设置前置的低噪声放大器。射频(RF)前端模块将接收的GPS射频信号进行放大、混频、滤波变换为中频或低频信号,之后或直接送入信号处理模块,或经AD变换得到数字信号,以便后续数字化处理。信号模块主要对信号进行捕获、跟踪、解扩、解调等,提取现测量和导航电文数据。解扩一般通过相关接收技术来完成,信号处理模块的核心就是相关器,一般采用多通道相关器来实时跟踪多颗卫星信号。应用处理模块的功能是对其他模块进行实时控制,并进行导航解算,以及完成其他应用任务。

    目前世界各国的企业公司、科研单位等相继研制出各种类型的接收机,据报道,现有的GPS接收机种类已超过300种。接收机可以按照不同的要求进行分类,如表2-5所列。有码接收机是利用卫星信号编码结构的先验信息,采用相关技术接收GPS信号,各种用语导航定位的接收机都采用这一技术,其观测量主要是伪距。而无码接收机不需要预先知道结构和内容,其观测量是载波相位、码相位和信息比特流。此类接收机用于精密测地工作。在陆地车辆定位导航中一般采用 有码(C/A码)Z型接收机。
           

 
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