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时频科学
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GPS卫星导航系统

                   

 

       GPS的提出起源于1973年美国国防部的NAVSTAR-GPS方案,其设计目标是能够利用L频段的无线电导航信号向美国陆海空三军提供高精度、全天候、全球性的定位服务,用于精确制导武器的投放和发射、情报收集、核爆监测和应急通信等军事领域。GPS星座设计方案的最初设想是将24颗卫星均匀布设在3个互成120°的轨道上,每个轨道上的卫星数量为8颗,轨道倾角为63°,地球上任意观测点可观测到6颗~9颗,粗码精度为100 m,精码精度可达10 m。但是由于开发阶段的预算不断受到国会压缩,GPS系统不得不减少卫星数量,计划改为18颗卫星分布在6个互成60°的轨道面上,并且一些GPS卫星由航天飞机承担发射任务,这样的方案设计使得导航系统的可靠性无法得到保证。在1988年,GPS工程计划进行了最终修改,由21颗工作卫星和3颗备用卫星分布在互成30°的6个轨道面上,每个轨道上4颗卫星,轨道倾角为55°,这一星座设计方案也一直沿用至今。

1. 系统组成

GPS空间段的组网结构设计为:GPS基本星座由24颗卫星构成,均匀分布在6个中地球轨道(Medium Earth Orbit,MEO)上,每个轨道上的卫星数量为4颗,其中1颗为备用星,轨道的高度约20200 km(距地面高度),轨道周期为11 h 58 min,6个轨道均为圆轨道,轨道与赤道之间的倾角为55°。这样的设计使得地面上任意位置的观测者均可在一天内的任意时刻接收到至少4颗卫星播发的无线电信号,从而实现定位与导航的目的。

 

目前GPS空间段的卫星数量已经超过了24颗,包括处于工作状态的卫星和即将退役或用于备份的闲置卫星,多出的这些卫星并不参与GPS基本星座的组网,但它们共同工作时将会提高GPS的定位、导航和授时精度及可靠性。截至2012年5月,共有31颗GPS卫星在轨运行,包括10颗GPS ⅡA卫星、12颗GPS ⅡR卫星、7颗GPS ⅡR-M卫星和2颗GPS ⅡF卫星,其中在2011年7月16日最新发射的GPS ⅡF-2卫星替换了已到达使用寿命的一颗Block ⅡA卫星。

   

 按照美国最新的研究报告设想,未来的GPS系统将重新采用3个轨道面的方案,星座结构为每个轨道上均匀分布的10颗卫星,这将简化对导航星座组网的维持和配置,并且便于“一箭双星”发射。

一般意义上的精度(accuracy)指的是一个物理量的测量值与其真实值之间的接近程度,常用误差(error)来表示。对于卫星导航系统而言,GPS系统的精度指的就是导航信号给出的观测点位置参数与其实际地理点位之间的差值。

 

GPS系统的定位精度受很多因素影响,如在轨卫星的星历误差和钟差、电离层对导航信号的干扰、无线电传输过程中的时延误差、接收机对信号的基带处理能力等。最初设计时GPS系统的定位精度是粗码100 m、精码10 m;后来随着接收机的发展,GPS系统的单点实时定位精度大幅提高,粗码为5 m~10 m,精码为1 m~2 m;目前GPS在轨工作卫星数量远超过设计额定数量,这也在一定程度上降低了GPS接收机的定位误差,一般的民用接收机在搜星条件良好的情况下可达到5 m范围内的定位精度,而经过加密处理的美军军用导航信号的精度更是达到了厘米级。

2. 发展历程

GPS计划的实施经历了三个历史阶段。

第一阶段:方案论证和初步设计阶段。1973年美国国防部正式批准了GPS方案,随后的1978年-1979年间,4颗GPS试验卫星发射升空并入轨运行,轨道倾角为64°,这一阶段还研制了最初地面接收设备并建立了跟踪控制站。

第二阶段:全面研制和试验开展阶段。从1979年-1984年间,美国又先后发射了7颗称为“Block Ⅰ”的试验卫星,研制了多种用途的导航信号接收机并对定位结果进行量化评估,试验表明,这一阶段的GPS定位精度远远超过了设计之初的指标参数,仅用粗码进行定位时的精度即可达到15m以内。

第三阶段:工程建设与星座组网阶段。1989年第一颗GPS工作卫星发射成功并很快投入使用,随后更多的GPS工作星进入预定轨道形成空间网络,这一阶段的卫星称为“Block Ⅱ”和“Block ⅡA”,标志着GPS进入了工程建设和全面组网阶段,至1993年底,由24颗工作卫星组成的GPS星座基本建成。

 

1995年4月27日,GPS宣布投入正式运行,为全球用户提供不间断的定位服务。随后,美国在1996年启动了“GPS现代化”工程,对GPS系统进行全面升级,更换工作失效的卫星,陆续发射了“Block ⅡR”、“Block ⅡR-M”和“Block ⅡF”卫星。2000年5月1日,美国宣布正式放弃可用性选择(Selective Availability,SA)并终止了在特定时刻人为降低定位精度的政策,标志着“GPS现代化”迈出了第一步,而在空间段和地面段的现代化进程预计于2013年完成,随后GPS将进入“GPS Ⅲ”发展阶段。

目前,GPS系统仍处在现代化进程中,未来几年时间里将有更多的Block ⅡF和Block Ⅲ卫星发射升空,用以替代已到达服役年限的早期Block Ⅰ或Block Ⅱ卫星,参与到星座组网中。随着L1C信号频段的提出,第4种GPS民用信号很快将正式投入使用,预计未来GPS系统中应用最为广泛的两个频段会是L1频段和L5频段。

为了在不改变星座状态的情况下进一步提高国内用户使用GPS系统时的定位精度,一些区域性增强系统逐渐建立起来,如广域增强系统(Wide Area Augmentation System,WAAS)、连续运行参考站(Continuously Operating Reference Stations,CORS)、广域差分GPS系统(Nationwide Differential GPS System,NDGPS)等。

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