GPS全球定位系統(tǒng)由幾部分組成？

+ 劉天雄

GPS全球定位系統(tǒng)由幾部分組成？

+ 劉天雄

GPS全球定位系統(tǒng)由空間段（SS）、地面控制段（CS）以及用戶段（US）三個(gè)獨(dú)立的部分組成，簡(jiǎn)單說(shuō)，就是天上飛的衛(wèi)星、地面的控制站以及手里拿的導(dǎo)航儀，如圖1所示。

其中導(dǎo)航衛(wèi)星不間斷地播發(fā)中心頻率分別為1575.42MHz（L1），1227.60MHz（L2）的兩種導(dǎo)航信號(hào)，信號(hào)包括調(diào)制在載波上的測(cè)距碼和衛(wèi)星軌道參數(shù)等導(dǎo)航電文信息。地面的控制站由主控站(負(fù)責(zé)管理、協(xié)調(diào)整個(gè)地面控制系統(tǒng)的工作)、地面天線(在主控站的控制下，向衛(wèi)星注入導(dǎo)航信息)、監(jiān)測(cè)站(數(shù)據(jù)自動(dòng)收集中心)和通訊輔助系統(tǒng)(數(shù)據(jù)傳輸)組成。用戶導(dǎo)航儀免費(fèi)接收空間部分的無(wú)線電信號(hào)，一般民用用戶接收機(jī)只能接收L1頻段信號(hào)（授權(quán)用戶可以同時(shí)接收L2頻段信號(hào)），接收導(dǎo)航電文，經(jīng)譯碼解碼等數(shù)據(jù)處理，完成位置解算。

一、空間段

1.GPS衛(wèi)星星座

GPS星座的設(shè)計(jì)以及在軌備份策略比較復(fù)雜，將衛(wèi)星發(fā)射到哪個(gè)軌道面和哪個(gè)位置，需要綜合考慮如下五個(gè)因素：

（1）系統(tǒng)定位精度、授時(shí)精度、完好性、連續(xù)性、可用性等關(guān)鍵指標(biāo)要求；

（2）星座中衛(wèi)星的健康狀態(tài)，包括預(yù)計(jì)失效時(shí)間等，不同衛(wèi)星失效對(duì)星座性能的影響；

（3）用戶對(duì)于導(dǎo)航衛(wèi)星的可見性；

（4）衛(wèi)星更新?lián)Q代的考慮；

（5）上行注入站的數(shù)量和衛(wèi)星發(fā)射等費(fèi)用等各種因素進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解的結(jié)果。

1978-1979年是GPS的方案論證和初步設(shè)計(jì)階段，GPS最初軌星座方案是Walker24/3/2型，如圖2所示，即24顆衛(wèi)星分布在3個(gè)圓形軌道平面上，每個(gè)軌道平面8顆，軌道傾角63°，軌道高度為20200km。軌道平面沿赤道等間隔分布。Walker24/3/2建設(shè)計(jì)劃及服務(wù)能力如圖3所示。此外，每個(gè)軌道平面配有1顆備用衛(wèi)星，這不但能保證1顆衛(wèi)星偶然中斷工作時(shí)或失效后系統(tǒng)仍然可以正常工作，也可以確保用戶視場(chǎng)內(nèi)至少能觀測(cè)到6顆衛(wèi)星，最多能觀測(cè)到11顆衛(wèi)星，能夠提供連續(xù)的全球4重或5重覆蓋，從而較大的冗余觀測(cè)量，系統(tǒng)能夠容許任何暫時(shí)的衛(wèi)星故障，在這個(gè)意義上講，系統(tǒng)是穩(wěn)健的。

1978年2月美國(guó)發(fā)射第1顆GPS BLOCK-Ⅰ衛(wèi)星，由于對(duì)GPS系統(tǒng)應(yīng)用前景不明朗以及預(yù)算等問(wèn)題，1979年衛(wèi)星系統(tǒng)減少為18顆，不能滿足原先星座設(shè)計(jì)的性能要求。為了保證在某一衛(wèi)星發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)仍滿足用戶有效覆蓋要求，將3個(gè)軌道改為6個(gè)軌道，即改用Walker18/6/2星座構(gòu)形，軌道傾角55°。這種星座構(gòu)形設(shè)計(jì)不能使所有區(qū)域均得到很好的覆蓋，而且對(duì)衛(wèi)星故障十分敏感，系統(tǒng)的可用性和完好性不能保證。

在GPS發(fā)展史上有一重大國(guó)際事件影響了GPS系統(tǒng)的發(fā)展，1983年9月，一架南朝鮮民用航空客機(jī)因迷路誤入前蘇聯(lián)領(lǐng)空而被其戰(zhàn)斗機(jī)擊落，美國(guó)總統(tǒng)里根宣布一旦GPS建成將開放給公眾使用，從而開啟GPS民用的大門。為了更好地為公眾服務(wù)，1988年，GPS全球定位系統(tǒng)的空間段恢復(fù)Walker24/3/2星座設(shè)計(jì)。1979-1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆稱為BLOCK-I的試驗(yàn)衛(wèi)星，研制了各種用途的接收機(jī)。實(shí)驗(yàn)表明，GPS定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，利用粗碼定位，其精度就可達(dá)14m。

1989年2月4日成功發(fā)射第一顆GPS工作衛(wèi)星，宣告GPS系統(tǒng)進(jìn)入工程建設(shè)狀態(tài)。這一階段的衛(wèi)星稱為BLOCK-II 和BLOCK-IIA。1993年美國(guó)國(guó)防部宣布GPS系統(tǒng)提供初始運(yùn)行服務(wù)（IOC），同年美國(guó)國(guó)防部宣布GPS系統(tǒng)對(duì)全世界開放，免費(fèi)使用。1994年3月，最后一顆BLOCK-II衛(wèi)星發(fā)射并組網(wǎng)運(yùn)行。GPS系統(tǒng)建成Walker24/6/2星座，在軌衛(wèi)星數(shù)24顆，分布在6個(gè)近圓形軌道面上，各個(gè)軌道平面之間相距60度，每個(gè)軌道面上有4顆衛(wèi)星，備份星分布在B、D、F軌道面上，每一個(gè)軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交點(diǎn)角相差90°，任一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30°,衛(wèi)星軌道傾角為55°，軌道高度為20200km，周期為11h58min，衛(wèi)星運(yùn)行速度為3.87 km/s，如圖4所示。

圖5 太陽(yáng)風(fēng)對(duì)地球磁場(chǎng)的影響

圖6 發(fā)射中的Delta IV運(yùn)載火箭

圖7 Block IIF衛(wèi)星在軌展開示意

GPS系統(tǒng)Walker24/6/2星座使得導(dǎo)航衛(wèi)星20200km的軌道高度上飛行時(shí)，盡管位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時(shí)間和地點(diǎn)的不同而不同，但對(duì)于地面用戶來(lái)說(shuō)，最少可以同時(shí)見到4顆導(dǎo)航衛(wèi)星，最多可見到10顆。Walker24/6/2星座中，6個(gè)軌道平面且依次以A、B、C、D、E、F命名，每一個(gè)軌道上均勻分布4顆GPS工作衛(wèi)星，處于同一個(gè)軌道上的衛(wèi)星，則以該軌道之名加上序號(hào)的方法，表示該顆衛(wèi)星所在的軌道位置。只有偶數(shù)軌道面配置了備份星，這樣的星座設(shè)計(jì)可以保證衛(wèi)星信號(hào)的全球多重覆蓋，獲得較好的導(dǎo)航定位精度，而且滿足系統(tǒng)的連續(xù)性和可用性要求，有利于實(shí)現(xiàn)接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)（RAIM），確保導(dǎo)航信息的安全可靠。

1995年7月17日，美國(guó)宣布GPS提供全面運(yùn)行服務(wù)(FOC)，美國(guó)空軍承諾維護(hù)24顆衛(wèi)星長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，根據(jù)預(yù)計(jì)的故障而不是需要或固定周期來(lái)發(fā)射補(bǔ)充衛(wèi)星。這樣，新的替補(bǔ)衛(wèi)星將在實(shí)際需要之前進(jìn)入軌道，以免因衛(wèi)星故障而出現(xiàn)可見衛(wèi)星數(shù)目的減少和覆蓋漏洞，保證GPS的可用性和連續(xù)性。

2.GPS衛(wèi)星軌道及其空間環(huán)境

GPS的軌道方案，其目的在于：

(1)增大地面可見面積。軌道越高，從衛(wèi)星上能夠看到的地球表面面積就越大。例如，一顆高度為1000km的衛(wèi)星，能見到的地面面積為地球總面積的6.7%。當(dāng)衛(wèi)星升高到20200km時(shí)，可見到的地面面積占38%，但軌道過(guò)高將使得無(wú)線電信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到空間其他不利的影響。

(2)增強(qiáng)均勻覆蓋。當(dāng)用圓形軌道時(shí)，衛(wèi)星運(yùn)行到軌道的任何位置，它對(duì)地面的距離和波束覆蓋面積基本上不變。在衛(wèi)星波束覆蓋區(qū)域內(nèi)，用戶所接收的衛(wèi)星射電信號(hào)強(qiáng)度相似，收到衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號(hào)的時(shí)間也大致相等，這對(duì)DGPS測(cè)量是很有益處的。

空間環(huán)境是誘發(fā)航天器故障的主要原因之一。這里指的空間環(huán)境，是日地空間環(huán)境。航天器在這個(gè)區(qū)域里遭遇的環(huán)境有高層大氣，還有地磁場(chǎng)、重力場(chǎng)，在空間中有大量的高能帶電粒子存在，能量非常高的銀河宇宙線，太陽(yáng)宇宙線。地球是有磁場(chǎng)的，在地球的周圍形成了兩個(gè)輻射帶，輻射的強(qiáng)度很強(qiáng)，一個(gè)是內(nèi)輻射帶，靠地球比較近，從200多千米一直到兩萬(wàn)千米左右，中心區(qū)域在兩萬(wàn)千米左右。外輻射帶，距離地球稍微遠(yuǎn)一些，中心達(dá)到三萬(wàn)多千米。還有空間等離子體，包括電離層、磁層等離子體、太陽(yáng)風(fēng)。還有太陽(yáng)電磁輻射、微流星、空間碎片和空間污染等等。

如圖5所示。太陽(yáng)風(fēng)和地磁場(chǎng)發(fā)生作用的界面叫做地球的磁層，這個(gè)空間充滿著大量的等離子體。太陽(yáng)風(fēng)暴釋放的巨大電磁能量會(huì)壓縮地球磁場(chǎng)，如果地球磁場(chǎng)被壓縮到一定程度，太陽(yáng)風(fēng)很容易干擾衛(wèi)星。

地球的電子帶和質(zhì)子帶作用于衛(wèi)星的一些關(guān)鍵部件、電路等，會(huì)對(duì)衛(wèi)星部件造成永久性損壞。高能帶電粒子環(huán)境會(huì)使航天器的材料、器件、太陽(yáng)電池航等產(chǎn)生輻射損傷，使微電子器件和設(shè)備產(chǎn)生單粒子效應(yīng)，而強(qiáng)離子流還可能將衛(wèi)星推離軌道，對(duì)衛(wèi)星的定位精度也會(huì)產(chǎn)生影響。

此外，高能量的太陽(yáng)輻射激活大氣電離層，產(chǎn)生大量的離子，會(huì)對(duì)衛(wèi)星與地球之間的信號(hào)發(fā)射產(chǎn)生干擾，因而會(huì)產(chǎn)生時(shí)間、距離方面的延遲，有時(shí)信號(hào)甚至?xí)耆袛??？臻g等離子體會(huì)使航天器表面和深層介質(zhì)充放電，導(dǎo)致航天器內(nèi)產(chǎn)生電磁干擾引發(fā)。

空間環(huán)境對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的影響主要包括如下幾個(gè)方面：

(1)大氣層中的電離層和同溫層對(duì)無(wú)線電導(dǎo)航信號(hào)傳播的影響；

(2)太陽(yáng)風(fēng)對(duì)地球磁場(chǎng)的影響；

(3)空間等離子體、輻射及高能粒子對(duì)星上電子產(chǎn)品功能、性能的影響；

(4)太陽(yáng)光壓對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)的影響；

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)需要特別研究大氣層中電離層、對(duì)流層、電波干擾和多徑效應(yīng)，以及它們的緩解技術(shù)和對(duì)策，因?yàn)檫@些因素都會(huì)影響系統(tǒng)工作、定位精度、完好性、可用性、連續(xù)性和可靠性等一系列關(guān)鍵指標(biāo)，不僅影響定位、導(dǎo)航和授時(shí)的精度，也會(huì)干擾用戶接收機(jī)的正常工作，甚至導(dǎo)致信號(hào)中斷。尤其是在茂密的森林內(nèi)、城市、峽谷中以及各種各樣室內(nèi)應(yīng)用，都受到電波傳播環(huán)境條件的限制。

3.GPS衛(wèi)星

1978-1985年，美國(guó)洛克韋爾國(guó)際公司研制了用于驗(yàn)證星地試驗(yàn)系統(tǒng)的11顆第一代GPS全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星（Block-I），該公司現(xiàn)為美國(guó)波音公司的組成部分。1989年至2010年，美國(guó)洛馬公司研制了GPS的全部49顆組網(wǎng)工作衛(wèi)星（Block-II/IIA/ IIR/ IIR-M）。2010年至2015年，計(jì)劃由美國(guó)波音公司研制GPS全球定位系統(tǒng)替代工作衛(wèi)星（Block-IIF）。

1996年4月R洛克韋爾國(guó)際公司獲得研制GPS全球定位系統(tǒng)12顆新一代GPS導(dǎo)航衛(wèi)星Block-IIF的研制合同，第一顆Block-IIF衛(wèi)星于2010年5月28日在美國(guó)佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地利用德爾塔-IV中型運(yùn)載火箭成功發(fā)射。2011年7月16日，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟德爾塔-IV中型運(yùn)載火箭將第二顆GPS IIF衛(wèi)星送入太空，是計(jì)劃中12顆GPS IIF衛(wèi)星的第二顆，進(jìn)入軌道后編號(hào)為SVN-63。發(fā)射中的Delta IV運(yùn)載火箭如圖6所示，衛(wèi)星在軌展開示意如圖7所示。

圖8 Block-IIF衛(wèi)星研制過(guò)程中的照片

利用空間4顆導(dǎo)航衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)三角定位原理看起來(lái)似乎很簡(jiǎn)單，但用戶對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的連續(xù)性、完好性及可用性要求，使得衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)十分復(fù)雜。通俗地講，衛(wèi)星導(dǎo)航用戶享受定位、導(dǎo)航及授時(shí)服務(wù)，就像日常使用水和電一樣，不能中斷。航空使用關(guān)乎生命安全，電力、通信及金融使用關(guān)乎經(jīng)濟(jì)安全，大眾使用關(guān)乎公共安全。一個(gè)承諾提供可靠服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，要采取各種可靠性措施來(lái)保障。導(dǎo)航衛(wèi)星的可靠性、安全性及自主運(yùn)行技術(shù)代表行業(yè)的最高成就。

Block-IIF衛(wèi)星在設(shè)計(jì)思想上與Block-IIR相同，衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)新任務(wù)有更大的靈活性，在安裝面積、質(zhì)量和功耗上都留有一定的余度，星上處理能力進(jìn)一步加強(qiáng)，增強(qiáng)了反電子欺騙能力，增大了太陽(yáng)能電池板，延長(zhǎng)了服務(wù)壽命（設(shè)計(jì)運(yùn)行壽命15年）。Block-IIF衛(wèi)星系統(tǒng)前期Block-II/ IIA/IIR/IIR-M衛(wèi)星系統(tǒng)兼容，同時(shí)，Block -IIF還將考慮與未來(lái)開發(fā)的未來(lái)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（Block-III）的兼容。Block-IIF在壽命、可靠性、功率等方面都超過(guò)了以往型號(hào)，研制過(guò)程中的照片如圖8所示。

Block-IIF衛(wèi)星除了定位、導(dǎo)航及授時(shí)（PNT）任務(wù)，每顆衛(wèi)星上裝有核爆檢測(cè)系統(tǒng)（NDDS）。Block—IIF系列衛(wèi)星是維持GPS系統(tǒng)星座穩(wěn)定運(yùn)行以及美國(guó)國(guó)家安全十分關(guān)鍵的一步。

Block-IIF衛(wèi)星增加了L5頻率（1176MHz），即第三個(gè)民用信號(hào)，隨著第三個(gè)導(dǎo)航定位信號(hào)的增設(shè)，以及GPS廣播星歷的在軌自主更新，對(duì)于測(cè)地用戶而言，能夠?qū)崿F(xiàn)偽距和載波相位測(cè)量的無(wú)電離層效應(yīng)影響的組合解算，求解穩(wěn)定可靠，將超長(zhǎng)基線向量的解算精度提高到一個(gè)新水平。對(duì)于動(dòng)態(tài)用戶而言，不僅能夠穩(wěn)獲厘米級(jí)的實(shí)時(shí)點(diǎn)位精度，而且將能用GPS衛(wèi)星導(dǎo)航取代現(xiàn)行的所有無(wú)線電導(dǎo)航，開創(chuàng)衛(wèi)星導(dǎo)航的新時(shí)代。對(duì)于GPS外部增強(qiáng)系統(tǒng)而言，它的作用將隨之而淡化，主要服務(wù)于GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號(hào)的完好性監(jiān)測(cè)，而不是提高實(shí)時(shí)點(diǎn)位精度。

此外，Block -IIF衛(wèi)星將加密軍用M碼信號(hào)，保證美軍及其盟軍的軍事行動(dòng)的安全性，增強(qiáng)自動(dòng)控制和快速在軌調(diào)整。同時(shí)致力于GPS現(xiàn)代化，GPS現(xiàn)代化是保持美國(guó)空間的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)作為美國(guó)安全戰(zhàn)略重要手段，空間力量給美國(guó)在全球范圍內(nèi)勝利完成軍事行動(dòng)提供了可靠的保證。

圖10 樣式各異的GPS全球定位系統(tǒng)接收機(jī)

此外，Block-IIF星上裝有精度更高的新一代原子鐘—數(shù)字化銫鐘，其時(shí)間精度為每天80億分之1秒，第一次采用該銫鐘是美國(guó)海軍試驗(yàn)室長(zhǎng)期研究頻率標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的最新成果，銫鐘受處理器控制，可以連續(xù)地優(yōu)化內(nèi)部性能，調(diào)整內(nèi)部參數(shù)以補(bǔ)償周圍環(huán)境的影響，也可以執(zhí)行自校驗(yàn)診斷技術(shù)，能極大地提高性能，同時(shí)將原子鐘各環(huán)節(jié)的健康狀況下傳給地面控制部門。

二、地面控制段

圖11 GPS全球定位系統(tǒng)運(yùn)控系統(tǒng)OCS地面站組成

GPS地面控制段又稱運(yùn)控系統(tǒng)（OCS），由遍布全世界的地面站組成，由一個(gè)位于美國(guó)范登堡空軍基地的主控站（MCS），5個(gè)分別位于夏威夷島、范登堡空軍基地、阿森松島、迭戈加西亞島以及夸賈林島的監(jiān)控站，以及3個(gè)用于給在軌衛(wèi)星上傳信息的大型地面天線站組成。如圖9示。

地面控制段主要是收集在軌衛(wèi)星運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算導(dǎo)航信息，診斷系統(tǒng)狀態(tài)，調(diào)度衛(wèi)星。衛(wèi)星上的各種儀器設(shè)備是否正常工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運(yùn)行，都要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。地面控制部分另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，即GPS時(shí)，這就需要地面站監(jiān)測(cè)各顆衛(wèi)星的星載原子鐘信息，求出鐘差，然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星再由導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。地面控制段工作信息流如圖10所示。地面控制段可以出于美國(guó)國(guó)家政治、軍事和安全考慮而有意干擾導(dǎo)航信號(hào)從而降低特定區(qū)域的定位精度。

主控站（MCS）擁有以大型計(jì)算機(jī)為主體的數(shù)據(jù)收集、計(jì)算、傳輸、診斷等設(shè)備，對(duì)地面監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)行全面控制，主要任務(wù)是收集并處理各監(jiān)測(cè)站對(duì)GPS衛(wèi)星的全部觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括各監(jiān)測(cè)站測(cè)得的距離和距離差、氣象要素、衛(wèi)星時(shí)鐘和工作狀況的數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)站自身的狀態(tài)數(shù)據(jù)等，根據(jù)收集的數(shù)據(jù)及時(shí)計(jì)算每顆GPS衛(wèi)星的星歷，時(shí)鐘改正值，狀態(tài)數(shù)據(jù)以及信號(hào)的大氣傳播改正，并按一定格式編制成導(dǎo)航電文，傳送到注入站。

監(jiān)控站監(jiān)控整個(gè)地面監(jiān)控系統(tǒng)是否工作正常，檢驗(yàn)注入衛(wèi)星的導(dǎo)航電文是否正確，監(jiān)測(cè)衛(wèi)星是否將導(dǎo)航電文發(fā)出；調(diào)度備用衛(wèi)星替代失效的工作衛(wèi)星，將偏離軌道的衛(wèi)星“拉回”到正常軌道位置。監(jiān)控站是為主控站編算導(dǎo)航電文提供觀測(cè)數(shù)據(jù)，每個(gè)監(jiān)測(cè)站均用GPS信號(hào)接收機(jī)測(cè)量每顆可見衛(wèi)星的偽距和距離差，采集氣象要素等數(shù)據(jù)，并將它們發(fā)送給主控站。監(jiān)控站安裝有高精度原子鐘、高精度GPS用戶接收機(jī)，收集當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)接收到的衛(wèi)星系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理并將這些數(shù)據(jù)傳送至主控站。

范登堡空軍基地監(jiān)控站同時(shí)具有信息上注功能，又稱注入站，它的任務(wù)主要是在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時(shí)把這類導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站的指令注入到衛(wèi)星，每天對(duì)每顆GPS衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進(jìn)行最后的信息注入。

簡(jiǎn)而言之，GPS全球定位系統(tǒng)地面控制部分的主要任務(wù)有以下五點(diǎn)，

(1)監(jiān)控導(dǎo)航衛(wèi)星飛行軌跡同時(shí)外推算衛(wèi)星的軌道數(shù)據(jù)（星歷）；

(2)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星原子鐘時(shí)間的同時(shí)預(yù)測(cè)星鐘的狀態(tài)（鐘差）；

(3)同步星載原子鐘與地面運(yùn)控系統(tǒng)原子鐘的時(shí)間；

(4)注入導(dǎo)航數(shù)據(jù)及運(yùn)控指令到衛(wèi)星；

(5)轉(zhuǎn)發(fā)導(dǎo)航衛(wèi)星導(dǎo)航電文，包括衛(wèi)星健康狀態(tài)信息等。

三、用戶段

GPS用戶段是指所有軍用和民用GPS接收機(jī)（又稱導(dǎo)航儀），可以安裝在衛(wèi)星、飛機(jī)、艦船、坦克、潛艇、汽車、卡車、武器以及士兵裝備中。接收機(jī)大大小小，千姿百態(tài)，有袖珍式、背負(fù)式、也可以是手持式的，樣式各異，型號(hào)不同，如11圖示，但是它們的工作原理相同，都是捕獲導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的信號(hào)，經(jīng)過(guò)檢測(cè)、解碼以及處理GPS信號(hào)三個(gè)主要流程來(lái)解算導(dǎo)航信息，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)站的三維位置，位置，甚至三維速度和時(shí)間。

GPS接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)可概括為天線單元和接收單元兩大部分，其中天線單元由接收天線和前置放大器兩個(gè)部件組成。接收單元信號(hào)波道是核心部件，是一種軟硬件相結(jié)合的有機(jī)體，它具有的波道數(shù)目1～12個(gè)。數(shù)據(jù)記錄器是在野外作業(yè)過(guò)程中用來(lái)記錄接收機(jī)所有采集的定位數(shù)據(jù)，以供測(cè)后數(shù)據(jù)處理之用。視屏監(jiān)控器包括一個(gè)視屏顯示窗和一個(gè)控制鍵盤，用戶通過(guò)按鍵可從視屏窗上讀取所要求的數(shù)據(jù)和文字。GPS全球定位系統(tǒng)接收機(jī)現(xiàn)在一般都是12通道的，可以同時(shí)接收12顆衛(wèi)星。早期的型號(hào)，比如GARMIN 45C就是8通道。GPS接收機(jī)收到3顆衛(wèi)星的信號(hào)可以輸出2D（就是2維）數(shù)據(jù)，只有經(jīng)緯度，沒(méi)有高度，如果收到4顆以上的衛(wèi)星，就輸出3D數(shù)據(jù)，可以提供海拔高度。但是因?yàn)榈厍蜃约旱膯?wèn)題，不是太標(biāo)準(zhǔn)的圓，所以高度數(shù)據(jù)有一些誤差。現(xiàn)在有些GPS接收機(jī)內(nèi)置了氣壓表，比如etrex的SUMMIT和 VISTA，這些機(jī)器根據(jù)兩個(gè)渠道得到的高度數(shù)據(jù)綜合出最終的海拔高度，已經(jīng)比較準(zhǔn)確。不同類型民用接收機(jī)如12圖示。GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)，是一種可供不限量用戶共享的信息資源。對(duì)于陸地、海洋和空間的廣大用戶，只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、轉(zhuǎn)換和測(cè)量 GPS信號(hào)的接收設(shè)備，就可以在任何時(shí)候用GPS信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位測(cè)量。GPS接收機(jī)的使用要在開闊的可見天空下，手持GPS的精度一般是誤差在10m左右，就是說(shuō)一條路能看出走左邊還是右邊。精度主要依賴于衛(wèi)星的信號(hào)接收和可接收信號(hào)的衛(wèi)星在天空的分布情況，如果幾顆衛(wèi)星分布的比較分散，GPS接收機(jī)提供的定位精度就會(huì)比較高。

目前世界上已有幾十家工廠生產(chǎn)GPS接收機(jī)，主要生產(chǎn)廠家有美國(guó)、英國(guó)、日本、德國(guó)、加拿大等數(shù)十家公司。接收機(jī)種類很多，產(chǎn)品也有幾百種，這些產(chǎn)品可以按照原理、用途、功能等來(lái)分類。一般常見的手持機(jī)接收L1信號(hào)，還有雙頻的接收機(jī)，做精密定位用的。典型手持式接收機(jī)大小與手機(jī)差不多，目前已經(jīng)開發(fā)出GPS信號(hào)解算集成芯片（比較知名的是Sirf芯片），很多廠商將這些芯片再集成到腕表以及手機(jī)中，像具有照相功能的手機(jī)一樣，目前具有導(dǎo)航功能的手機(jī)已成為智能手機(jī)的標(biāo)配。想像手機(jī)的普及程度，不難想像這里的巨大商機(jī)。

+ SATNET

圖12 不同類型民用GPS接收機(jī)