GPS卫星导航系统

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1、2.1GPS定位系统组成GPS采用“多星、高轨、测时、测距”体制，实现了全球覆盖、全天候、高精度、实时连续导航定位。GPS全球定位系统主要由三大部分构成：空间部分…・GPS卫星星座、控制部分…■地面监控系统、用户设备部分----GPS信号接收机。2.1.1空间部分GPS空间卫星星座由24颗卫星组成，其中包括3颗备用卫星。卫星均匀分布在6个轨道平面内，每个轨道面上分布有4颗卫星。轨道倾角约为55°,各轨道平面升交点的赤经相差60。，在相邻轨道上卫星的升交距角相差30°,轨道平均高度约为20200km,运行周期为11小时58分。

2、GPS卫星星座的分布使得同一观测站上每天出现的卫星分布图形相同，保证了在地球表而和近地空间任一点、任何时刻至少可以同时观测到4颗GPS卫星，最多可同时观测到11颗。GPS卫星在空间的分布情况如图2-1所示。图2-1GPS卫星星座Figure2-1GPSsatelliteconstellationGPS卫星的基木功能：(1)提供精密的时间基准。(2)向用户发送导航和定位信息。(3)卫星上设有微处理机，可以进行部分必要的数据处理工作。(4)在地而监控站指令下，调整卫星姿态和启用备用卫星。(5)接收并存储地面监控站发出的导航信息，

3、并执行监控站的控制指令。2.1.2地面监控系统GPS地面监控部分由分布在全球的5个地面站组成，其中包括1个主控站、3个注入站和5个监测站。主控站位于美国科罗拉多的的联合空间执行中心；3个注入站分别设在大西洋的阿松森群岛、印度洋的迭各加西亚和太平洋的卡瓦加兰；5个监控站分別设在主控站、3个注入站和夏威夷岛。GPS地面图2・2GPS地面监控站Figure2-2GPScontrolstation主控站是地面监控系统的中心，它作为整个地面系统的数据的釆集、计算、处理、诊断和传输中枢，采集5个监控站提供的卫星和气象数据。其主要任务是：

4、(1)协调和管理地面监控系统。(2)提供全球定位系统的时间基准。(3)计算各卫星的星历、大气层的修正参数、时钟修正参数，并按一定格式编辑成导航电文。(4)对地面监控系统和卫星工作状况进行故障诊断，及时进行卫星调度，启用备用卫星取代失效的工作卫星。(5)将计算、处理和编辑的卫星导航电文传输到三个注入站。注入站的主要功能是在主控站的控制下，将主控站编制推算的导航电文、卫星星历、卫星时钟钟差等参数和其他控制指令定时注入到各个卫星。监测站是在主控站的控制下进行数据采集、处理和发送站。每个监测站都配有GPS接收机，对空间每个GPS卫星

5、进行连续不断地跟踪、观测、采集数据和监测卫星的工作状况，在一定时间间隔进行一次伪距测量利多普勒频移进行测量；另外，每个监测站都配备环境大气数据测量仪，定时采集当地气象数据；即时提供每个监测站自身工作状态的数据等。将所有观测数据进行处理，并传递给主控站。2.1.3用户设备部分用户设备部分是一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS卫星信号的无线电设备，是实现GPS导航定位的用户终端，例如车载设备、手持设备、航空和航海设备等（如图2-3所示）。用户设备一般包括GPS接收天线、用户接收处理机、GPS数据处理软件和控制显示设备等部分。核心

6、部分是接收处理机，简称GPS接收机。图2-3GPS设备终端Figure2・3GPSterminalequipmentGPS接收机的主要任务是捕获到以一定卫星高度角截止角所选择的导航卫星信号，并跟踪、锁定卫星的运行；接收GPS卫星发射无线电信号，获得必要的信息和观测量，进行数据处理，实现导航定位、测速和定时。2.2卫星相关信息解算在利用GPS信号进行导航定位时，卫星的瞬时坐标可以根据导航电文中所提供的卫星星历数据按照公式计算出来，通常可将卫星坐标看作已知值，利用GPS接收机所测得的伪距或者载波相位为观测量来解算地面或空间点的坐

7、标位置。在GPS姿态测量系统中，卫星的位置参数是从可见星中选取最佳导航星座、载波相位测量中基星和卫星视线矢量解算的数据基础，在姿态结算中具有非常重要的意义。但是一般情况下用户接收机输出的是卫星的星历数据，并不会直接输出所跟踪导航卫星在WGS-84坐标系下的位置参数，需要由用户通过解算求得。所以GPS姿态测量系统要求在接收机获得卫星信号之后,从中获取卫星星历参数，然后利用相应的公式解算出卫星瞬时位置。通过对卫星星历的解码计算，可以从星历数据中得到该卫星的各种参数，其中用于解算卫星坐标的一些轨道参数见表2・1：表2-1GPS星历

8、参数定义Table2-1ThedefinitionofGPSephemerisdata参数表达式说明，0e星历数据的参考时刻M。参考时刻的平近点角Az?卫星平均角速度的修正项J卫星椭圆轨道的偏心率需卫星椭圆轨道长半轴的平方根卫星轨道升交点赤经■lo参考时刻卫星轨道平面相对地球轨道面的倾角c