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11.2.1.1全球定位系统GPS概述
1)全球定位系统GPS的组成
全球定位系统包括三部分，空间GPS卫星、地面控制站组、用户GPS接收机，如图11.2
所示。
(1)空间GPS卫星
GPS空间卫星部分由24颗分布在倾角为550的6个等间隔轨道上的卫星组成，此外还留
有在轨备用卫星l～4颗，如图11.3。GPS卫星分Block-I和Block-Ⅱ两类；新一代GPS卫
星为Block- IIR替补卫星，采用先进的星上氢原子钟，卫星分布可保证全球任何地区、任何
时刻都有不少于4颗卫星以供观测。卫星轨道离地高度为20 230 km。
GPS卫星上除了控制卫星自身工作的遥测、跟踪、指令系统用于轨道调整与姿态稳定
的推进系统等组成外，其供电系统由两块太阳能翼板组成，但主要足提供导航信号的无线
电收发机、天线、原子钟和计算机。铯原子钟具有1×10 -14稳定度，各卫星的原子钟相互
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图11.2 GPS的组成
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图11.3 GPS卫星配置
同步，并与地面站组的原子钟同步，建立起GPS精密时系，称为GPS时，它是精密测距的
基础。导航发射机以双频1575.42 MHz和1227.60 MHz发射导航信号，通过测量这些信号
的到达时间，用户可以用4颗卫星确定出导航参数。即经度、纬度、高度和时间。
(2)地面控制站组
地面站组包括1个主控站、5个监测站和3个注入站，如图11.4所示。主控站位于科
罗拉多的联合空间执行中心，三个注入站分别设在大西洋的阿松森岛、印度洋的迭哥·伽
西亚和太平洋的卡瓦加兰三个美国军事基地上，五个监测站设在主控站和三个注入站以及
夏威夷岛。
图11.4 GPS地面站组分布
五个监测站分别观测卫星，然后把有关信息发送到主控站，主控站计算出卫星十二小时
内的运行星历数据，通过注入站将此信息送回卫星，如图11.5所示。
监测站的主要作用就是对每颗卫星进行观测，并向主控站提供观测数据，并采集当地的
气象等数据，数据处理机处理收集到的数据，定时将处理后的数据送往主控站。监测站是无
人值守的数据采集中心，受主控站控制。由监测站提供的观测数据形成了GPS卫星实时发布
的广播星历。
主控站拥有大型计算机，宅完成以下的功能：①采集数据。主控站采集各个监测站所
测得的伪距和积分多普勒观测值、气象要素、卫星时钟和工作状态的数据，监测站自身的
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图11.5地面控制站组框图
状态数据，以及海军水面兵器中心发来的参考星历。②编辑导航电文。根据采集到的全部
数据计算出每颗卫星的星历、时钟修正量、状态数据以及大气修正量，并按一定的格式编
辑为导航电文，传送到注入站。③诊断功能。对整个地面站组的协调工作进行诊断，对卫
星的状况进行诊断，并加以编码向用户指示。④调整卫星。根据所测的卫星轨道参数，及
时将卫星调整到预定轨道，使其正常运转。而且还可进行卫星调度，用备份卫星取代失效
的工作卫星。
主控站将编辑的卫星电文传送到注入站，定时将这些信息注入各个卫星，然后由GPS卫
星发送给用户，这就是所用的广播星历。
注入站的主要作用是将主控站发送来的卫星星历和钟差信息，每天一次地注入到卫星上
的存贮器中。
(3)用户GPS接收机
GPS是采用无源工作方式，凡是有GPS接收设备的用户都可以使用GPS进行定位导
航。用户设备包括天线、接收机、微处理机、控制显示设备等，因而有时也称为GPS接
收机。
2) GPS的工作原理
卫星导航是在空间技术、大地和大气测量技术、数字通信和计算机技术等基础上发展起
来的现代无线电导航技术。
(1) GPS采用的坐标系及变换
GPS是以卫星作力时空基准点的导航系统，我们称之为星基系统，常用宇宙直角坐标系，
而飞机定位采用的是地理坐标，因此要进行坐标变换。
卫星在空间的位置，通过卫星的轨道参量来表示。卫星和地球的相对位置不仅取决于卫
星的轨道参量，而且与地球自转有关。用户通过测定对卫星的相对位置，进而确定自身的地
理坐标。空间任一点的地理坐标和宇宙直角坐标之间的关系，如图11.6所示。如果已知某点
的经／纬度和飞行高度，可用(11.1)式计算出宇宙直角坐标系中的坐标瓜y、Z；反之已知
某点的宇宙直角坐标，可用(11.2)式计算出,a.、≯和H来。
X = (O'P+H)cos4cos/l,
y= (O'P+H)cos 4sin允 (11.1)
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空中领航学 下册(89)
