GPS大百科 細說導航系統的組成部分

  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。

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

導航系統分為路基與星基兩種

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

GPS導航衛星上載有高精度原子時鐘用于授時

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

    今天我們就將GPS系統分為幾個部分來為大家講解一下什么是GPS系統，相信不少對于GPS系統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系統雖然是一個衛星定位導航系統，但是其組成部分卻并不只有衛星部分，GPS全球定位系統一共由三個部分組成，首先是我們很熟悉的衛星星座、其次是同樣非常重要的地面控制/監測網絡、最后就是我們用戶自己的接收設備了。可能有的人會說，為什么要把GPS系統分為三個部分呢？那有衛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衛星導航系統示意圖

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

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

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

    Block I衛星是GPS系統最早的衛星，目的是為了驗證系統設計的可行性，因此只制造了11顆衛星，于1978年至1985年之間發射，但是因為衛星上只能存儲3.5天的星歷，所以需要頻繁的與地面聯系做上載新的數據。如果沒有地面進行管理，衛星在很短時間內就會發生姿態變化影響到實際的導航定位需求。衛星上搭載了銣/銫原子時鐘各兩臺。雖然設計壽命為5年左右，但是不少衛星堅挺的工作超過壽命兩倍多，為之后的衛星設計以及故障分析留下了寶貴的數據。

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

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

    Block IIR衛星則是為了全面兼容及替換Block II與Block IIA衛星而生產的，支持GPS系統所需要的基本特性，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，從而提高了衛星的穩定性與可靠性。后有改良的Block IIR-M衛星，重新設計了L1/L2的發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，并且發射時間也比預定的2007年開始要晚了幾年。GPS IIF衛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衛星的一個簡單的發展歷史，GPS衛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一時間的原子鐘，經由頻率發生器然后從發射端廣播出去；并且內置有與地面控制段通訊的設備，太陽能提供能源，并且帶有推進器進行實時的姿態控制。

    小記：GPS衛星在發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星的質量與穩定性，目前GPS系統的星座數量已經超過了最初的設計數，并且在不斷的加強中，與其他國家在建的導航系統相比依舊有很大的優勢。

整理：洪麓豐