3.2 美國GPS

3.2.1 系統簡介

GPS是由美國國防部發展、美軍空軍第50航空連隊管理的新一代以空間為基地的無線電導航系統，其全稱為“授時與測距導航系統/全球定位系統”（NAVSTAR/GPS）。GPS在全世界范圍內提供具有全球性、全天候、高精度和實時連續的定位、導航和定時功能。

經過20余年的研究實驗，耗資300億美元，美國于1994年3月完成了全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛星的布設。GPS衛星一天繞地球兩圈，軌道高度約20200km，分布在6個交點互相間隔60°的軌道面上，每個軌道面內的衛星數并不相同。在導航定位中，GPS采用的是世界大地坐標系（WGS-84）。

GPS的基本原理是測量已知位置的衛星與用戶接收機之間的距離，然后綜合至少4顆衛星的數據計算接收機的具體位置。如圖3-1所示，GPS衛星廣播無線電信號，提供它們的位置、狀態和精確時間{t₁}；隨后，無線電信號以光速穿過太空；最后，地球上的GPS設備接收無線電信號，記錄信號的確切到達時間{t₂}，并使用接收到的數據計算接收設備與視野中每顆衛星的距離，從而實現定位測量的目的。

GPS能為用戶提供精確的三維坐標、速度和時間等信息。在定位精度方面，在95%的情況下，GPS定位的距離誤差小于7.8m。例如，支持GPS的智能手機在開闊的環境下，通常定位可精確到半徑為4.9m的范圍內。但是，定位的準確性隨著周圍的建筑物、橋梁和樹木的增多而變差。高端用戶則通過使用雙頻接收機或增強系統的方式來提高GPS的定位精度。GPS定位精度高，觀測時間短，由于其起步早，技術成熟，已經成了目前世界上軍用和民用領域的衛星導航系統的第一選擇。

GPS由空間段、地面段和用戶段3個部分組成。空間段包括所有在軌工作的衛星。地面段包括所有與系統監控有關的地球站：主控站、監控站和地面控制站。用戶段包括所有的民用用戶和軍用用戶。空間段和用戶段的通信是單向的，而空間段與地面段的通信則是雙向的。空間段將來自衛星的信號，如時間脈沖、衛星健康狀況、年歷等傳遞給用戶段和地面段。地面段可以將地面控制的信息傳遞給空間段。

3.2.2 空間段

1.GPS星座

GPS的空間段包括一個由24顆衛星組成的象征性星群，其中有3顆備用衛星。這些衛星發射單向的無線電信號，給出當前GPS衛星的位置和時間。GPS衛星在中軌道飛行，分別在6個不同的軌道面上圍繞地球運轉，衛星的軌道面相對于地球赤道面的傾角為55°，各軌道面升交點的赤經相差60°，一條軌道上的兩顆衛星之間的升交角距相差90°。每顆衛星的運行周期都是11時58分。由于地球自身的運轉，GPS衛星會在約24h后重返其相對于地球的出發位置。用戶能夠從地球上幾乎任何地點、任何時間，在高度角大于15°的條件下觀測到4顆以上的衛星。GPS星座是新舊衛星的混合體。如表3-1所示，GPS星座中包含了4種型號：GPS-2A、GPS-2R、GPS-2R-M、GPS-2F。其中，GPS-2F衛星是GPS從第二代向第三代過渡的最后一種型號。

GPS不斷地更新換代，截至2020年9月9日，GPS在軌工作的衛星共有30顆。

2.GPS衛星

GPS衛星主體呈圓柱形，重約774kg，主體兩側配有能自動對太陽進行定向的雙翼太陽能集電板，可以提供衛星正常工作的電源。這些衛星通過其驅動系統保持運轉并穩定在相應的軌道位置。所有的GPS衛星都載有4臺高精度原子鐘（2臺銣鐘和2臺銫鐘），用來發射標準頻率，提供高精度的時間信息，保持信號同步。

GPS衛星產生兩種代碼：一種為粗捕獲碼（C/A碼，Coarse/Acquisition Code，11023MHz）；另一種為精測距碼（P碼，Precise Code，10123MHz）。每個GPS衛星都會在L1（中心頻率為1575.42MHz）和L2（中心頻率為1228MHz）兩個載波上發送直接序列擴頻信號。其中，L1信號為開放的民用信號，信號強度在-166dBW左右，包含C/A碼和P碼兩種代碼。L2頻段只用于軍用場合，因此僅含有P碼。GPS衛星使用的L1信號均為同一個頻率，但相互之間不會發生干擾，因為GPS衛星都由覆蓋了2.046MHz頻段的PRN代碼進行了擴頻。經過PRN代碼擴頻后的GPS信號不僅能區別于其他信號，還具有抗干擾能力。

3.空間段功能

在GPS中，GPS衛星的主要功能在于以下兩方面。

（1）接收、存儲、處理并執行由地面監控系統發送的控制指令，如調整衛星姿態、修正時間參數、啟用備用時鐘等。

（2）向用戶發送導航和定位信息，提供時間標準、衛星自身的實時空間坐標及其他在軌衛星的粗略位置等。

3.2.3 地面段

GPS的地面段是指GPS的地面監測和控制系統，由一個全球地面實施網絡組成，該網絡跟蹤GPS衛星，監測它們的傳輸，進行分析，并向星座發送控制命令和數據信息。地面的控制部分包含監測站、主控站和注入站（地面天線）三部分。目前，GPS有16個監測站、1個主控站、1個備用主控站及11個注入站。

1.監測站

監測站（含空軍監測站和美國國家地理空間情報局監測站）通過16個站點提供全球覆蓋，利用復雜的GPS接收機跟蹤從監測站上空經過的GPS衛星；收集導航信號、范圍測量數據和大氣數據等，并將觀測結果輸入主控站。

2.主控站

主控站的功能是提供對GPS星座的命令和控制；使用全球監測站的數據計算衛星的精確位置；監測衛星廣播和系統的完整性以確保星座健康；生成用于上傳到衛星的導航信息；執行衛星維護，包括重新定位衛星以保持最佳的星座。目前主控站有一個完全可控的備用主控站備份，它們使用不同的系統（AEP和LADO）控制運行衛星和非操作衛星。

3.注入站

注入站由7個專用的GPS地面天線和4個空軍衛星控制網（AFSCN）遠程跟蹤站組成。注入站負責收集遙測數據、向衛星發送命令、上傳導航數據及加載處理器程序。注入站通過S頻段進行通信，并執行S頻段測距，以提供異常分辨率和早期的軌道支持。

為了能夠指揮和控制較新的GPS衛星，并加強網絡安全，美國空軍一直在不斷升級GPS的控制部分。

3.2.4 用戶段

GPS的用戶段包含GPS接收機、數據處理軟件、微處理機和終端設備等。GPS接收機有天線、主機和電源三部分。其主要功能是跟蹤并接收GPS衛星發射的信號，對這些信號進行變換、放大等處理，再測算信號從GPS衛星到接收機的時間，并解譯導航電文，計算測站的三維位置、三維速度和時間，從而獲得用戶需要的導航及定位信息。

GPS數據處理軟件部分主要是對觀測的數據進行精加工，以獲得更精確的定位信息。

根據接收到的GPS衛星信號的頻率，GPS接收機分為單頻（L1）接收機和雙頻（L1和L2）接收機。根據GPS接收機的用途，其分為導航型接收機、測量型接收機和授時型接收機。

3.2.5 系統應用

GPS是全球信息基礎設施的重要組成部分。GPS的開放、可靠等特性，使得其在各行各業都有廣泛的應用。

在科學研究方面，GPS可以用于監測全球區域的板塊運動和地殼運動，根據測定的板塊運動的速度、方向和變形量等信息，對地震進行預報和危險性分析。GPS也可以用來探測大氣水汽含量、部分區域的溫度廓線等信息，從而對全球的天氣和氣候進行監測與預報。

在工程技術方面，GPS建立了覆蓋全球坐標系統之一的高精度大地控制網，為大地測量的科研任務提供了強大的基礎。隨著GPS的發展，航空攝影測量領域也出現了GPS輔助航空攝影測量技術。除此之外，GPS還在智能交通系統、海洋測繪，以及其他精密工程測量、工程結構變形檢測中發揮著很大的作用。

在軍事方面，GPS可以用于各種軍事載體導航，如巡航導彈、空地導彈、彈道導彈等需要精確打擊的武器。GPS可以提高軍事武器的命中率。

在精細農業方面，GPS技術與遙感技術相結合，再配合地理信息系統，可以使機器獲取農田定位信息，自動完成指定區域的農機作業，降低農業生產成本。

在林業管理方面，GPS可以用于確定林場的面積及道路位置，估算林場樹木的覆蓋率，尋找水源和測定地界線等。在發生森林火災時，GPS技術還可以協助檢測燃燒區域，為滅火提供決策依據。

此外，郵電、煤礦、石油、建筑、考古、電信、公安、城市規劃及金融等領域也對GPS開展了研究和應用。不僅如此，各種新興的產業在不斷地結合GPS技術，GPS技術自身也在不斷地更新和發展，因此其有著廣闊的應用前景。