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衛星系統

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中文名: 衛星定位系統 又稱: 全球定位系統 覆蓋: 全球的24顆衛星組成的衛星系統

衛星定位系統即全球定位系統(Global Positioning System)。簡單地說，這是一個由覆蓋全球的24顆衛星組成的衛星系統。這個系統可以保證在任意時刻，地球上任意一點都可以同時觀測到4顆衛星，以保證衛星可以採集到該觀測點的經緯度和高度，以便實現導航、定位、授時等功能。

全球定位系統(GPS)是20世紀70年代由美國陸海空三軍聯合研製的新一代空間衛星導航定位系統。其主要目的是為陸、海、空三大領域提供實時、 全天候和全球性的導航服務，並用於情報收集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的，是美國獨霸全球戰略的重要組成。經過20餘年的研究實驗，耗資300億美元，到1994年3月，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛星星座己布設完成。

前身

GPS系統的前身是美軍研製的一種子午儀衛星定位系統(Transit)，1958年研製，64年正式投入使用。該系統用5到6顆衛星組成的星網工作，每天最多繞過地球13次，並且無法給出高度信息，在定位精度方面也不盡如人意。然而，子午儀系統使得研發部門對衛星定位取得了初步的經驗，並驗證了由衛星系統進行定位的可行性，為GPS系統的研製埋下了鋪墊。由於衛星定位顯示出在導航方面的巨大優越性及子午儀系統存在對潛艇和艦船導航方面的巨大缺陷。美國海陸空三軍及民用部門都感到迫切需要一種新的衛星導航系統。

為此，美國海軍研究實驗室(NRL)提出了名為Tinmation的用12到18顆衛星組成10000km高度的全球定位網計劃，並於67年、69年和74年各發射了一顆試驗衛星，在這些衛星上初步試驗了原子鐘計時系統，這是GPS系統精確定位的基礎。而美國空軍則提出了621-B的以每星群4到5顆衛星組成3至4個星群的計劃，這些衛星中除1顆採用同步軌道外其餘的都使用周期為24h的傾斜軌道，該計劃以偽隨機碼(PRN)為基礎傳播衛星測距信號，其強大的功能，當信號密度低於環境噪聲的1%時也能將其檢測出來。偽隨機碼的成功運用是GPS系統得以取得成功的一個重要基礎。海軍的計劃主要用於為艦船提供低動態的2維定位，空軍的計劃能供提供高動態服務，然而系統過於複雜。由於同時研製兩個系統會造成巨大的費用而且這裡兩個計劃都是為了提供全球定位而設計的，所以1973年美國國防部將2者合二為一，並由國防部牽頭的衛星導航定位聯合計劃局(JPO)領導，還將辦事機構設立在洛杉磯的空軍航天處。該機構成員眾多，包括美國陸軍、海軍、海軍陸戰隊、交通部、國防製圖局、北約和澳大利亞的代表。

構成

1.空間部分

GPS的空間部分是由24 顆工作衛星組成，它位於距地表20 200km的上空，均勻分布在6 個軌道面上(每個軌道面4 顆)，軌道傾角為55°。此外，還有4 顆有源備份衛星在軌運行。衛星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衛星，並能保持良好定位解算精度的幾何圖象。這就提供了在時間上連續的全球導航能力。GPS 衛星產生兩組電碼，一組稱為C/ A 碼( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一組稱為P 碼(Procise Code 10123MHz),P 碼因頻率較高，不易受干擾，定位精度高，因此受美國軍方管制，並設有密碼，一般民間無法解讀，主要為美國軍方服務。C/ A 碼人為採取措施而刻意降低精度後， 主要開放給民間使用。

2.地面控制部分

地面控制部分由一個主控站,5個全球監測站和3個地面控制站組成。監測站均配裝有精密的銫鐘和能夠連續測量到所有可見衛星的接受機。監測站將取得的衛星觀測數據，包括電離層和氣象數據，經過初步處理後，傳送到主控站。主控站從各監測站收集跟蹤數據，計算出衛星的軌道和時鐘參數，然後將結果送到3 個地面控制站。地面控制站在每顆衛星運行至上空時，把這些導航數據及主控站指令注入到衛星。這種注入對每顆GPS 衛星每天一次，並在衛星離開注入站作用範圍之前進行最後的注入。如果某地面站發生故障，那麼在衛星中預存的導航信息還可用一段時間，但導航精度會逐漸降低。

3.用戶設備部分

用戶設備部分即GPS 信號接收機。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛星截止角所選擇的待測衛星，並跟蹤這些衛星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛星信號後，即可測量出接收天線至衛星的偽距離和距離的變化率，解調出衛星軌道參數等數據。根據這些數據，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件和機內軟件以及GPS 數據的後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部分。接收機一般採用機內和機外兩種直流電源。設置機內電源的目的在於更換外電源時不中斷連續觀測。在用機外電源時機內電池自動充電。關機後，機內電池為RAM存儲器供電，以防止數據丟失。各種類型的接受機體積越來越小，重量越來越輕，便於野外觀測使用。

特點及應用

全球定位系統的主要特點:(1)全天候;(2) 全球覆蓋;(3)三維定速定時高精度;(4)快速省時高效率:(5)應用廣泛多功能。

功用

全球定位系統的主要用途:(1)陸地應用，主要包括車輛導航、應急反應、大氣物理觀測、地球物理資源勘探、工程測量、變形監測、地殼運動監測、 市政規劃控制等;(2)海洋應用，包括遠洋船最佳航程航線測定、船隻實時調度與導航、海洋救援、海洋探寶、水文地質測量以及海洋平台定位、海平面升降監測等;(3)航空航天應用，包括飛機導航、航空遙感姿態控制、低軌衛星定軌、導彈制導、航空救援和載人航天器防護探測等。

應用

主要是為船舶、汽車、飛機等運動物體進行定位導航。例如:

1.船舶遠洋導航和進港引水

2.飛機航路引導和進場降落

3.汽車自主導航

4.地面車輛跟蹤和城市智能交通管理

5.緊急救生

6.個人旅遊及野外探險

7.個人通訊終端(與手機，PDA，電子地圖等集成一體)

8.電力、郵電、通訊等網絡的時間同步

9.準確時間的授入

10.準確頻率的授入

11.各種等級的大地測量，控制測量

12.道路和各種線路放樣

13.水下地形測量

14.地殼形變測量，大壩和大型建築物變形監測

15.GIS應用

16.工程機械(輪胎吊，推土機等)控制

17.精細農業