GPS大百科 細說導航系統(tǒng)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地方到另外一個地方的科學”。在我們日常生活中，我們無時不刻都會接觸到導航的概念，從我們上下班到乘坐交通工具，無論是我們的經驗還是車站的站牌，如果沒有“導航”的概念存在其中，那么我們無法從一個地方到另外一個地方。

 利用大型系統(tǒng)進行導航服務其實并不是從GPS系統(tǒng)開始的。簡單來說我們可以把導航系統(tǒng)的裝置分為陸基與星基兩種，前者的導航系統(tǒng)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受到“視線”（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態(tài)（移動速度低）的定位對象上。

導航系統(tǒng)分為路基與星基兩種

    而GPS系統(tǒng)在上世紀60年代就已經出現(xiàn)了構想，在1964年建成了子午儀系統(tǒng)，適用于低動態(tài)對象上。在對衛(wèi)星導航的技術逐步改進、修改實驗之后，GPS系統(tǒng)就孕育而生了。

GPS導航衛(wèi)星上載有高精度原子時鐘用于授時

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

    今天我們就將GPS系統(tǒng)分為幾個部分來為大家講解一下什么是GPS系統(tǒng)，相信不少對于GPS系統(tǒng)特別關心的朋友們一定很想知道，通過廣播式的信號接收運算，如何能夠使我們實時進行高精度的定位的，通過本文我們來簡單的了解一下。

 GPS系統(tǒng)雖然是一個衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)，但是其組成部分卻并不只有衛(wèi)星部分，GPS全球定位系統(tǒng)一共由三個部分組成，首先是我們很熟悉的衛(wèi)星星座、其次是同樣非常重要的地面控制/監(jiān)測網絡、最后就是我們用戶自己的接收設備了?？赡苡械娜藭f，為什么要把GPS系統(tǒng)分為三個部分呢？那有衛(wèi)星在天上之后就可以進行定位了，為什么還需要地面控制呢？我們先來簡單的將這三個部分為大家講解一下。

GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)示意圖

    首先GPS系統(tǒng)對于我們用戶來說是一個無源系統(tǒng)，即用戶的接收機只負責接收、解碼、計算工作，并不會返還數(shù)據，所以只要信號覆蓋到的地方，可以有無數(shù)的用戶使用GPS系統(tǒng)，這與我們的廣播電臺的原理相似。

    GPS衛(wèi)星的標準配置為24顆衛(wèi)星，但是目前因為有超時服役的衛(wèi)星加上新的衛(wèi)星補充進去，其實數(shù)量上已經超過了24顆衛(wèi)星的配置，其運行的軌道也做了相應的調整。GPS衛(wèi)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(wèi)星顆數(shù)為4顆，軌道運行一圈的時間近似12小時（半個恒星日），保證了在絕大多數(shù)地方都能夠提供有效穩(wěn)定的導航服務。

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

    Block I衛(wèi)星是GPS系統(tǒng)最早的衛(wèi)星，目的是為了驗證系統(tǒng)設計的可行性，因此只制造了11顆衛(wèi)星，于1978年至1985年之間發(fā)射，但是因為衛(wèi)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(shù)據。如果沒有地面進行管理，衛(wèi)星在很短時間內就會發(fā)生姿態(tài)變化影響到實際的導航定位需求。衛(wèi)星上搭載了銣/銫原子時鐘各兩臺。雖然設計壽命為5年左右，但是不少衛(wèi)星堅挺的工作超過壽命兩倍多，為之后的衛(wèi)星設計以及故障分析留下了寶貴的數(shù)據。

    Block II衛(wèi)星是借鑒了上一代衛(wèi)星之后，進行改善后的第二代衛(wèi)星，共9顆衛(wèi)星與1989年開始發(fā)射，衛(wèi)星內置存儲提高到14天的星歷，并且實現(xiàn)了自主的動量控制，這樣可以減少與地面控制的頻繁聯(lián)系，內部搭載多臺銣/銫原子時鐘。平均設計壽命為6年，但是衛(wèi)星實際工作的時間長度平均約12年。這也是GPS系統(tǒng)初期的衛(wèi)星產品。

    而后出現(xiàn)多了Block IIA衛(wèi)星與上一代衛(wèi)星十分類似，增強了系統(tǒng)的一些功能，比如說將自主運行時間擴大至180天，衛(wèi)星可以連續(xù)工作6個月無需和地面聯(lián)系。共生產了19顆。

    Block IIR衛(wèi)星則是為了全面兼容及替換Block II與Block IIA衛(wèi)星而生產的，支持GPS系統(tǒng)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(wèi)星都帶有3個銣原子頻標（RAFS），簡單來講就是更加先進的始終標準，Block IIR在設計中還大大加強了物理封裝，從而提高了衛(wèi)星的穩(wěn)定性與可靠性。后有改良的Block IIR-M衛(wèi)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(wèi)星根據最近的報道來看，生產公司已經交由波音公司，并且發(fā)射時間也比預定的2007年開始要晚了幾年。GPS IIF衛(wèi)星增強了軍事抗干擾能力，并且載有更加先進技術的原子鐘，衛(wèi)星載有新的第三個民用信號，設計壽命延長為12年。

    基本上以上就是GPS衛(wèi)星的一個簡單的發(fā)展歷史，GPS衛(wèi)星其實在構造上并沒有我們想象中的那么復雜。簡單來說就是內置有統(tǒng)一時間的原子鐘，經由頻率發(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，太陽能提供能源，并且?guī)в型七M器進行實時的姿態(tài)控制。

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

整理：洪麓豐