深探GPS卫星及电文系统

当GPS(全球定位系统，Global Positioning System)悄然浸入人们生活的方方面面时，当大家热谈电子地图、汽车导航与手机位置服务时，很多人开始探究GPS到底是什么，它如何工作又靠怎样的系统支撑？

如果说前些年GPS还显得高端而陌生的话，如今随着电子地图、车载导航、网格化城市管理的热度攀升，它已成为2007年炙手可热的技术，并从阳春白雪变成了普通消费者都能亲近的高科技，无论是厂商还是用户都将在这次改变中获益，其覆盖的领域只受人们想像力的限制。那么GPS究竟怎样工作，它靠什么提供信息呢？

4颗到11颗卫星全覆盖

由美国国防部控制运营的GPS导航系统，是目前世界上应用最广泛、定位精度最高、定位速度最快的系统，它实现全球、全天侯、实时的三维定位功能。

卫星星座由额定的24颗卫星星座构成，卫星位于6个地心轨道平面内，每个轨道4颗卫星。运行周期为11小时58分钟。轨道接近于圆形，轨道倾角为55度，轨道面之间以60度为间隔。卫星的轨道高度为20183km，这样的轨道高度恰好使运行周期等于半同步周期，这样卫星就可以一天通过一个地点两次，只是每天提前四分钟，这样的部署使地球的每个地方都能看到4到11颗卫星。

GPS卫星主体呈柱形，直径为1.5米，重量为464kg。卫星上还装有微处理器，其功能是存储来自地面控制站的星历数据，并把这些数据转换成导航电文发给用户，也可存储和换算提供给用户的其他数据信息。

5个监控站、1个主控站和3个注入站

GPS系统的地面控制站由三大部分组成：监控站、主控站和注入站。这三大部分包括5个监控站、1个主控站和3个注入站。这些站都设在美国的本土上，包括美洲大陆的美国本土、太平洋的关岛和夏威夷、印度洋的迭哥枷西亚以及大西洋的阿森松群岛。

主控站设在科罗拉多州的统一空间操作中心，主要负责地面控制站网的全面控制。它根据各种测量数据编制卫星星历，计算各卫星原子钟钟差、电离层对流层校正参数等，然后将预测的卫星星历、钟差和校正参数等发送到注入站。主控站还负责将偏离轨道的卫星纠正过来，必要时用备用卫星代替失效的卫星。

监控站的计算机控制其所有的数据收集，并将收集到的导航信号数据与大气条件等数据首先存储在监控站里，需要时再把这些数据传输到主控站，并加以处理。

注入站通过S波段载频将主控站送来的星历数据、环境数据、钟差数据、电离层传播延迟修正数据等注入GPS卫星，所有这些数据均被存入卫星的存储器中，以更新原来那些相应的数据，并形成卫星向用户发送的新的导航信息。注入站还负责检测注入卫星的导航信息是否正确，它每天向卫星注入一次新的导航数据。

单通道和多通道接收机

GPS的用户设备主要是GPS导航接收机。现在已为GPS的用户研制出多种类型的接收机，从最简单的单通道便携式接收机到性能完善的多通道接收机。不同类型和不同结构的接收机适应于不同的精度要求、不同的载体运动特性和不同的抗干扰环境。一次定位的时间从几秒钟到几分钟不等，这取决于接收设备的结构完善程度。大多数接收机都有多个通道，每一个通道跟踪来自一颗卫星的发射信号。接收机通常使用带通滤波器滤波来减小带外射频干扰。

5个子帧构成1帧电文

导航电文是卫星向用户提供的导航信息，用户将这些信息应用于导航解算。导航电文包括计算卫星位置的有关数据、系统时间、卫星钟参数C/A码到P码的交接字及卫星工作状态。按目前的设计，导航电文包括在一帧数据之中，1帧数据包含1500bit的数据，历时30秒。1帧电文分为5个子帧，每个子帧都包含有系统时间和交接字HOW。第1子帧包含时钟校正参数及电离层模型改正参数，第2、3子帧为卫星星历表，第4子帧为由字母和数字混合编制的电文，第5子帧是全部24颗卫星日程表的一部分。