走近全球定位系统──GPS

软件世界

李冰

　　在伊拉克战争中，美军的“精确制导武器”“战斧”巡航导弹、联合直接攻击弹药(JDAM)……频频曝光，其实背后唱主角的却是被誉为“天眼”的“全球定位系统(GPS)”。

　　伴随战争烟云的消散，GPS也越来越受到人们的关注。前段时间，我国成功地将第三颗“北斗一号”卫星送入太空，作为备份星与前两颗工作卫星组成了完整的卫星导航定位系统，这标志着我国成为继美国的GPS和俄罗斯的全球导航卫星系统(GLONASS)后，世界上第三个建立了卫星导航系统的国家。一时间，GPS再次成为人们的“焦点”话题。随着GPS技术的成熟与发展，GPS已从当初单纯的军事领域的应用，迅速深入到经济建设、社会生活的方方面面中。从为车船、飞机的导航到资源勘探、地形测量，从旅游观光、野外探险、定位救生到个人GPS通讯终端，GPS正逐步走进普通百姓的日常生活。

　　GPS主要由空间卫星、地面监控、用户终端等三大部分组成。

　　空间卫星：最初是由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，记作(21+3)GPS星座(图1)。但发展至今，在轨卫星数量已经达到28颗。这些卫星的高度为20200公里，运行周期为12小时，被均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面相对于赤道平面的倾角为55°，各个轨道平面之间交角60°，每条轨道上分布4颗以上的卫星，相邻两个轨道上的卫星相隔40°。这就使得在地球上的任何地方、任何时间都能够观测到4颗以上的卫星，并且卫星与地面的距离、波束覆盖面积、接收到的信号强度等基本不变，从而能够为用户提供良好的定位解算精度、连续的全球导航能力。

　　地面监控：目前主要由分布在全球的一个主控站、3个信息注入站和5个监测站组成。其中监测站负责对每颗卫星进行不间断的观测，确定卫星的空间位置、工作状况并采集与气象有关的数据等，然后将监测结果传送给位于美国科罗拉多(Colorado)州的主控站。主控站配备大型计算机，具有数据采集与传输、诊断地面站和卫星状况、编辑导航电文、调整卫星状态等强大的功能。它除了控制各个监测站、接收卫星观测数据外，还要依据这些数据来判断卫星的运行轨道、时钟和年历是否发生变化，检测其设备功能是否正常，然后计算出每颗卫星的轨道和卫星钟的修正值、依次外推一天以上的卫星星历及时钟差，最后将这些数据按一定格式编辑转换为卫星导航电文，传送到设在大西洋、印度洋和太平洋的美国军事基地上的3个信息注入站。再由注入站把导航数据及主控站的指令发送注入到各个卫星中。

　　用户终端：其主体是GPS信号接收机(图2)。GPS接收机的功能是：捕获和跟踪GPS卫星，接收它发送的卫星星历、伪距观测数据等导航定位信号并进行解码、转换、还原和处理，从中测量出GPS信号从卫星到接收机的传播时间，解译出信号中的导航电文，最终计算出接收机所在的三维位置、三维速度等状态参数，从而实现利用GPS进行导航、定位和授时等目的。