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11.2.1.1全球定位系統GPS概述
    1)全球定位系統GPS的組成
    全球定位系統包括三部分，空間GPS衛星、地面控制站組、用戶GPS接收機，如圖11.2
所示。
    (1)空間GPS衛星
    GPS空間衛星部分由24顆分布在傾角為550的6個等間隔軌道上的衛星組成，此外還留
有在軌備用衛星l～4顆，如圖11.3。GPS衛星分Block-I和Block-Ⅱ兩類；新一代GPS衛
星為Block- IIR替補衛星，采用先進的星上氫原子鐘，衛星分布可保證全球任何地區、任何
時刻都有不少于4顆衛星以供觀測。衛星軌道離地高度為20 230 km。
  GPS衛星上除了控制衛星自身工作的遙測、跟蹤、指令系統用于軌道調整與姿態穩定
的推進系統等組成外，其供電系統由兩塊太陽能翼板組成，但主要足提供導航信號的無線
電收發機、天線、原子鐘和計算機。銫原子鐘具有1×10 -14穩定度，各衛星的原子鐘相互
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圖11.2  GPS的組成
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圖11.3  GPS衛星配置
同步，并與地面站組的原子鐘同步，建立起GPS精密時系，稱為GPS時，它是精密測距的
基礎。導航發射機以雙頻1575.42 MHz和1227.60 MHz發射導航信號，通過測量這些信號
的到達時間，用戶可以用4顆衛星確定出導航參數。即經度、緯度、高度和時間。
    (2)地面控制站組
    地面站組包括1個主控站、5個監測站和3個注入站，如圖11.4所示。主控站位于科
羅拉多的聯合空間執行中心，三個注入站分別設在大西洋的阿松森島、印度洋的迭哥·伽
西亞和太平洋的卡瓦加蘭三個美國軍事基地上，五個監測站設在主控站和三個注入站以及
夏威夷島。
圖11.4  GPS地面站組分布
  五個監測站分別觀測衛星，然后把有關信息發送到主控站，主控站計算出衛星十二小時
內的運行星歷數據，通過注入站將此信息送回衛星，如圖11.5所示。
  監測站的主要作用就是對每顆衛星進行觀測，并向主控站提供觀測數據，并采集當地的
氣象等數據，數據處理機處理收集到的數據，定時將處理后的數據送往主控站。監測站是無
人值守的數據采集中心，受主控站控制。由監測站提供的觀測數據形成了GPS衛星實時發布
的廣播星歷。
  主控站擁有大型計算機，宅完成以下的功能：①采集數據。主控站采集各個監測站所
測得的偽距和積分多普勒觀測值、氣象要素、衛星時鐘和工作狀態的數據，監測站自身的
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L - jIA站一一j
圖11.5地面控制站組框圖
狀態數據，以及海軍水面兵器中心發來的參考星歷。②編輯導航電文。根據采集到的全部
數據計算出每顆衛星的星歷、時鐘修正量、狀態數據以及大氣修正量，并按一定的格式編
輯為導航電文，傳送到注入站。③診斷功能。對整個地面站組的協調工作進行診斷，對衛
星的狀況進行診斷，并加以編碼向用戶指示。④調整衛星。根據所測的衛星軌道參數，及
時將衛星調整到預定軌道，使其正常運轉。而且還可進行衛星調度，用備份衛星取代失效
的工作衛星。
    主控站將編輯的衛星電文傳送到注入站，定時將這些信息注入各個衛星，然后由GPS衛
星發送給用戶，這就是所用的廣播星歷。
    注入站的主要作用是將主控站發送來的衛星星歷和鐘差信息，每天一次地注入到衛星上
的存貯器中。
    (3)用戶GPS接收機
    GPS是采用無源工作方式，凡是有GPS接收設備的用戶都可以使用GPS進行定位導
航。用戶設備包括天線、接收機、微處理機、控制顯示設備等，因而有時也稱為GPS接
收機。
    2) GPS的工作原理
    衛星導航是在空間技術、大地和大氣測量技術、數字通信和計算機技術等基礎上發展起
來的現代無線電導航技術。
    (1) GPS采用的坐標系及變換
    GPS是以衛星作力時空基準點的導航系統，我們稱之為星基系統，常用宇宙直角坐標系，
而飛機定位采用的是地理坐標，因此要進行坐標變換。
    衛星在空間的位置，通過衛星的軌道參量來表示。衛星和地球的相對位置不僅取決于衛
星的軌道參量，而且與地球自轉有關。用戶通過測定對衛星的相對位置，進而確定自身的地
理坐標。空間任一點的地理坐標和宇宙直角坐標之間的關系，如圖11.6所示。如果已知某點
的經／緯度和飛行高度，可用(11.1)式計算出宇宙直角坐標系中的坐標瓜y、Z；反之已知
某點的宇宙直角坐標，可用(11.2)式計算出,a.、≯和H來。
    X = (O'P+H)cos4cos/l,
    y= (O'P+H)cos 4sin允    (11.1)
　
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