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GPS系統的組成

GPS系統包括三大部分:空間部分—GPS衛星星座;地面控制部分—地面監控系統;用戶設備部分—GPS信號接收機。

1、GPS衛星星座

由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成GPS衛星星座,記作(21+3)GPS星座。24顆衛星均勻分布在6個軌道平面內,軌道傾角為55度,各個軌道平面之間相距60度,即軌道的升交點赤經各相差60度。每個軌道平面內各顆衛星之間的升交角距相差90度,一軌道平面上的衛星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛星超前30度。

在兩萬公里高空的GPS衛星,當地球對恒星來說自轉一周時,它們繞地球運行二周,即繞地球一周的時間為12恒星時。這樣,對于地面觀測者來說,每天將提前4分鐘見到同一顆GPS衛星。位于地平線以上的衛星顆數隨著時間和地點的不同而不同,最少可見到4顆,最多可見到11顆。在用GPS信號導航定位時,為了結算測站的三維坐標,必須觀測4顆GPS衛星,稱為定位星座。這4顆衛星在觀測過程中的幾何位置分布對定位精度有一定的影響。對于某地某時,甚至不能測得精確的點位坐標,這種時間段叫做“間隙段”。但這種時間間隙段是很短暫的,并不影響全球絕大多數地方的全天候、高精度、連續實時的導航定位測量。GPS工作衛星的編號和試驗衛星基本相同。

2、地面監控系統

對于導航定位來說,GPS衛星是一動態已知點。星的位置是依據衛星發射的星歷—描述衛星運動及其軌道的的參數算得的。每顆GPS衛星所播發的星歷,是由地面監控系統提供的。衛星上的各種設備是否正常工作,以及衛星是否一直沿著預定軌道運行,都要由地面設備進行監測和控制。地面監控系統另一重要作用是保持各顆衛星處于同一時間標準—GPS時間系統。這就需要地面站監測各顆衛星的時間,求出鐘差。然后由地面注入站發給衛星,衛星再由導航電文發給用戶設備。GPS工作衛星的地面監控系統包括一個主控站、三個注入站和五個監測站。

3、GPS信號接收機

GPS信號接收機的任務是:能夠捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號,并跟蹤這些衛星的運行,對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理,以便測量出GPS信號從衛星到接收機天線的傳播時間,解譯出GPS衛星所發送的導航電文,實時地計算出測站的三維位置,位置,甚至三維速度和時間。

GPS衛星發送的導航定位信號,是一種可供無數用戶共享的信息資源。對于陸地、海洋和空間的廣大用戶,只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設備,即GPS信號接收機。可以在任何時候用GPS信號進行導航定位測量。根據使用目的的不同,用戶要求的GPS信號接收機也各有差異。目前世界上已有幾十家工廠生產GPS接收機,產品也有幾百種。這些產品可以按照原理、用途、功能等來分類。

靜態定位中,GPS接收機在捕獲和跟蹤GPS衛星的過程中固定不變,接收機高精度地測量GPS信號的傳播時間,利用GPS衛星在軌的已知位置,解算出接收機天線所在位置的三維坐標。而動態定位則是用GPS接收機測定一個運動物體的運行軌跡。GPS信號接收機所位于的運動物體叫做載體(如航行中的船艦,空中的飛機,行走的車輛等)。載體上的GPS接收機天線在跟蹤GPS衛星的過程中相對地球而運動,接收機用GPS信號實時地測得運動載體的狀態參數(瞬間三維位置和三維速度)。

接收機硬件和機內軟件以及GPS數據的后處理軟件包,構成完整的GPS用戶設備。GPS接收機的結構分為天線單元和接收單元兩大部分。對于測地型接收機來說,兩個單元一般分成兩個獨立的部件,觀測時將天線單元安置在測站上,接收單元置于測站附近的適當地方,用電纜線將兩者連接成一個整機。也有的將天線單元和接收單元制作成一個整體,觀測時將其安置在測站點上。

GPS接收機一般用蓄電池做電源。同時采用機內機外兩種直流電源。設置機內電池的目的在于更換外電池時不中斷連續觀測。在用機外電池的過程中,機內電池自動充電。關機后,機內電池為RAM存儲器供電,以防止丟失數據。

近幾年,國內引進了許多種類型的GPS測地型接收機。各種類型的GPS測地型接收機用于精密相對定位時,其雙頻接收機精度可達5MM+1PPM.D,單頻接收機在一定距離內精度可達10MM+2PPM.D。用于差分定位其精度可達亞米級至厘米級。

目前,各種類型的GPS接收機體積越來越小,重量越來越輕,便于野外觀測。

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