Question

关于GPS系统你知道的有多少？

Answer 1

GPS系统包括三大部分：GPS卫星 星座 （空间部分）、地面支撑系统（地面监控部分）、GPS接收机（用户部分）。

1．GPS卫星 星座 （空间部分）

GPS卫星 星座 由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，记作（21＋3）GPS 星座 ，卫星高度为20 000km，运行周期12h。24颗卫星均匀分布在6条升交角相隔60°的轨道平面上，轨道倾角为55°。每个轨道平面内各卫星之间的升交角相差90°，轨道平面的卫星数量随着时间和地点的不同而有所变化，最少时可观测到4颗，最多可观测到11颗。具有这种轨道参数的卫星，其发射的信号能覆盖地球表面积的38%。卫星运行在轨道的任何位置上，对地面的距离和信号波覆盖面积基本不变，且在信号波覆盖区域内，用户接收到的卫星信号强度近似相等，这对提高定位精度十分有利。这种特性使得GPS在全球任何地方、任何恶劣的气候条件下，都能为用户提供24h不间断的免费服务。

2．地面支撑系统（地面监控部分）

对于导航定位来说，GPS卫星是动态已知点。卫星的位置是以卫星发射的星历——描述卫星运动及其轨道的参数——计算得出的。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工作，以及是否一直沿着预定轨道运行，都要由相应的地面设备进行检测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各卫星处于同一时间标准。这就需要地面站检测出各卫星的时间，求出时差，然后由地面注入站发给卫星，卫星再通过导航电文发送给用户设备。

地面监控部分由分别在全球的若干个跟踪站所组成的监控系统构成。根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站等类别。主控站的任务是根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站传输到卫星中去。主控站还对卫星进行控制，向卫星发布指令，纠正卫星的轨道偏离，而当工作卫星出现故障时，由主控站发出指令调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作。另外，主控站还负责检测整个地面检测系统的工作，检验传输给卫星的导航电文是否正确，检测卫星是否将导航电文正确发送给用户等。

3．GPS接收机（用户部分）

用户部分包括用户组织系统和根据要求安装的相关设备，其中心设备是GPS接收机，GPS接收机是一种特制的无线电接收机，用来接收导航卫星发射的信号，并以此计算出定位数据。GPS接收机能够捕获到按一定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，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出监测站的三维位置，甚至三维速度和时间。完整的GPS用户设备由接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后期处理软件构成。

GPS的定位方式有多种，根据定位的模式可分为绝对定位和相对定位。绝对定位也叫单点定位，通常是指在协议地球坐标系中直接确定检测站相对于坐标系原点（地球质心）绝对坐标的一种定位方法。利用GPS进行绝对定位的基本原理是，以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离（或距离差）观测量为基础，并根据已知的卫星瞬时坐标来确定用户接收机在空间直角坐标系中的坐标，或转换成用户所需的地理坐标，即监测站的位置。相对定位在两个或若干个测量站上，设置GPS接收机，同步跟踪观测相同的GPS卫星，测定它们之间的相对位置。相对定位是几点同步观测GPS卫星的数据进行的定位，因此能有效地消除或减弱许多相同的或基本相同的误差，如卫星钟、卫星星历的误差，卫星信号在大气中的传播延迟误差和SA政策（即有选择可用性政策）的影响等，从而获得很高的相对定位精度，因此在大地控制网、精密工程测量、地球动力学、地震监测网和导弹火箭发射控制等方面都有广泛应用。

根据定位时接收机的运动状态，GPS又可分为静态定位和动态定位两种方式。静态定位指的是GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不动，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星运行轨道的已知位置，计算出接收机天线所在位置的三维坐标。所谓动态定位是在进行定位时设定GPS接收机的天线在整个观测过程中的位置是变化的，是接收机对物体运动轨迹的测定。