GPS大百科 細說(shuō)導航系統的組成部分

  GPS的一般認同就是作為導航使用的，那么什么叫做導航呢？導航的定義是“使載體或者人員從一個(gè)地方到另外一個(gè)地方的科學(xué)”。在我們日常生活中，我們無(wú)時(shí)不刻都會(huì )接觸到導航的概念，從我們上下班到乘坐交通工具，無(wú)論是我們的經(jīng)驗還是車(chē)站的站牌，如果沒(méi)有“導航”的概念存在其中，那么我們無(wú)法從一個(gè)地方到另外一個(gè)地方。

 利用大型系統進(jìn)行導航服務(wù)其實(shí)并不是從GPS系統開(kāi)始的。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)我們可以把導航系統的裝置分為陸基與星基兩種，前者的導航系統裝置是設計在陸地上的，工作頻率較高的裝置定位精度高但是會(huì )受到“視線(xiàn)”（遮蔽物）的影響，而工作頻率較低的裝置其定位精度較低，所以一般適用在低動(dòng)態(tài)（移動(dòng)速度低）的定位對象上。

導航系統分為路基與星基兩種

    而GPS系統在上世紀60年代就已經(jīng)出現了構想，在1964年建成了子午儀系統，適用于低動(dòng)態(tài)對象上。在對衛星導航的技術(shù)逐步改進(jìn)、修改實(shí)驗之后，GPS系統就孕育而生了。

GPS導航衛星上載有高精度原子時(shí)鐘用于授時(shí)

    GPS系統因為其搭載了高精度的原子時(shí)鐘，可以為高動(dòng)態(tài)對象提供精準的定位服務(wù)，加上2000年以來(lái)，美國取消了對GPS系統的植入誤差，這樣地球上絕大多數的地方都能夠從GPS民用信號上獲得精度最高在3米左右的定位質(zhì)量，成為了現在我們應用最為廣泛的衛星定位技術(shù)。

    今天我們就將GPS系統分為幾個(gè)部分來(lái)為大家講解一下什么是GPS系統，相信不少對于GPS系統特別關(guān)心的朋友們一定很想知道，通過(guò)廣播式的信號接收運算，如何能夠使我們實(shí)時(shí)進(jìn)行高精度的定位的，通過(guò)本文我們來(lái)簡(jiǎn)單的了解一下。

 GPS系統雖然是一個(gè)衛星定位導航系統，但是其組成部分卻并不只有衛星部分，GPS全球定位系統一共由三個(gè)部分組成，首先是我們很熟悉的衛星星座、其次是同樣非常重要的地面控制/監測網(wǎng)絡(luò )、最后就是我們用戶(hù)自己的接收設備了?？赡苡械娜藭?huì )說(shuō)，為什么要把GPS系統分為三個(gè)部分呢？那有衛星在天上之后就可以進(jìn)行定位了，為什么還需要地面控制呢？我們先來(lái)簡(jiǎn)單的將這三個(gè)部分為大家講解一下。

GPS衛星導航系統示意圖

    首先GPS系統對于我們用戶(hù)來(lái)說(shuō)是一個(gè)無(wú)源系統，即用戶(hù)的接收機只負責接收、解碼、計算工作，并不會(huì )返還數據，所以只要信號覆蓋到的地方，可以有無(wú)數的用戶(hù)使用GPS系統，這與我們的廣播電臺的原理相似。

    GPS衛星的標準配置為24顆衛星，但是目前因為有超時(shí)服役的衛星加上新的衛星補充進(jìn)去，其實(shí)數量上已經(jīng)超過(guò)了24顆衛星的配置，其運行的軌道也做了相應的調整。GPS衛星的運行軌道是分布在6條軌道上，而每條軌道上標準的衛星顆數為4顆，軌道運行一圈的時(shí)間近似12小時(shí)（半個(gè)恒星日），保證了在絕大多數地方都能夠提供有效穩定的導航服務(wù)。

 導航衛星上搭載有L1、L2頻段的信號，在Block IIF衛星開(kāi)始增加了L5頻段的信號，其衛星的發(fā)展情況我們大致做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。

    Block I衛星是GPS系統最早的衛星，目的是為了驗證系統設計的可行性，因此只制造了11顆衛星，于1978年至1985年之間發(fā)射，但是因為衛星上只能存儲3.5天的星歷，所以需要頻繁的與地面聯(lián)系做上載新的數據。如果沒(méi)有地面進(jìn)行管理，衛星在很短時(shí)間內就會(huì )發(fā)生姿態(tài)變化影響到實(shí)際的導航定位需求。衛星上搭載了銣/銫原子時(shí)鐘各兩臺。雖然設計壽命為5年左右，但是不少衛星堅挺的工作超過(guò)壽命兩倍多，為之后的衛星設計以及故障分析留下了寶貴的數據。

    Block II衛星是借鑒了上一代衛星之后，進(jìn)行改善后的第二代衛星，共9顆衛星與1989年開(kāi)始發(fā)射，衛星內置存儲提高到14天的星歷，并且實(shí)現了自主的動(dòng)量控制，這樣可以減少與地面控制的頻繁聯(lián)系，內部搭載多臺銣/銫原子時(shí)鐘。平均設計壽命為6年，但是衛星實(shí)際工作的時(shí)間長(cháng)度平均約12年。這也是GPS系統初期的衛星產(chǎn)品。

    而后出現多了Block IIA衛星與上一代衛星十分類(lèi)似，增強了系統的一些功能，比如說(shuō)將自主運行時(shí)間擴大至180天，衛星可以連續工作6個(gè)月無(wú)需和地面聯(lián)系。共生產(chǎn)了19顆。

    Block IIR衛星則是為了全面兼容及替換Block II與Block IIA衛星而生產(chǎn)的，支持GPS系統所需要的基本特性，L1頻段上的C/A和P（Y）碼以及L2頻段上的P（Y）碼。所有的Block IIR衛星都帶有3個(gè)銣原子頻標（RAFS），簡(jiǎn)單來(lái)講就是更加先進(jìn)的始終標準，Block IIR在設計中還大大加強了物理封裝，從而提高了衛星的穩定性與可靠性。后有改良的Block IIR-M衛星，重新設計了L1/L2的發(fā)射器等許多硬件設備。

    由于軍事需要，被要求增加新的軍用捕獲碼以及新的L5民用頻段信號的增加，Block IIF就孕育而生了，而目前Block IIF衛星根據最近的報道來(lái)看，生產(chǎn)公司已經(jīng)交由波音公司，并且發(fā)射時(shí)間也比預定的2007年開(kāi)始要晚了幾年。GPS IIF衛星增強了軍事抗干擾能力，并且載有更加先進(jìn)技術(shù)的原子鐘，衛星載有新的第三個(gè)民用信號，設計壽命延長(cháng)為12年。

    基本上以上就是GPS衛星的一個(gè)簡(jiǎn)單的發(fā)展歷史，GPS衛星其實(shí)在構造上并沒(méi)有我們想象中的那么復雜。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是內置有統一時(shí)間的原子鐘，經(jīng)由頻率發(fā)生器然后從發(fā)射端廣播出去；并且內置有與地面控制段通訊的設備，太陽(yáng)能提供能源，并且帶有推進(jìn)器進(jìn)行實(shí)時(shí)的姿態(tài)控制。

    小記：GPS衛星在發(fā)展的過(guò)程中為了保證前后的兼容性，基本原理是沒(méi)有變化的，主要加強了原子時(shí)鐘的準確度以及衛星的質(zhì)量與穩定性，目前GPS系統的星座數量已經(jīng)超過(guò)了最初的設計數，并且在不斷的加強中，與其他國家在建的導航系統相比依舊有很大的優(yōu)勢。

整理：洪麓豐