全球定位系统的组成

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GPS的系统组成
GPS系统由三部分组成

• 空间部分
  
• 地面控制部分
  
• 用户设备部分
  

GPS的空间部分①
GPS的空间部分的组成

• GPS卫星星座
  
  

• 6个轨道面
  
  
  
• 平均轨道高度20200km
  
  
  
• 轨道倾角55 
  
  
  
• 周期11h 58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）
  
  

GPS的空间部分②

• GPS卫星星座
  
  
  
  • 设计星座：21+3
    
  • 21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星
    
  • 保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15以上，能够同时观测到4颗以上卫星
    
  • 当前星座：28颗
    
  
  

GPS的空间部分③

GPS的空间部分④

• GPS卫星的地面轨迹
  

GPS的空间部分⑤

• GPS卫星
  
  
  
  • 作用：
    
    
    
    • 接收、存储导航电文
      
    • 生成用于导航定位的信号（测距码、载波）
      
    • 发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）
      
    • 接受地面指令，进行相应操作
      
    • 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。
      
    
    
  • 主要设备
    
    
    
    • 太阳能电池板
      
    • 原子钟（2台铯钟、2台铷钟）
      
    • 信号生成与发射装置
      
    
    
  
  

GPS的空间部分⑥

• GPS卫星（续）
  
  
  
  • 类型
    
    
    
    • 试验卫星：Block Ⅰ
      
    • 工作卫星：Block Ⅱ
      
      
      
      • Block Ⅱ：存储星历能力为14天，具有SA和AS地能力
        
      • Block ⅡA （Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天，SV35和SV36带有激光反射棱镜
        
      • Block ⅡR （Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯
        
      • Block ⅡF（Follow On）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率
        
      
      
    
    
  
  

GPS的空间部分⑧

GPS的地面监控部分 ①

• 地面监控部分 （Ground Segment）
  
  
  
  • 组成
    
    
    
    • 主控站：1个
      
    • 监测站：5个
      
    • 注入站：3个
      
    • 通讯与辅助系统
      
    
    
  
  

GPS的地面监控部分②

• 地面监控部分 （Ground Segment）（续）
  
  
  
  • 分布
    
  
  

GPS的地面监控部分③

• 监测站（5个）
  
  
  
  • 作用：
    接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。
    
  • 地点：
    夏威夷、主控站及三个注入站。
    
  
  

GPS的地面监控部分④

• 主控站（1个）
  
  
  
  • 作用：
    
    
    
    • 管理、协调地面监控系统各部分的工作，
      
    • 收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星，
      
    • 监控卫星状态，向卫星发送控制指令；
      
    • 卫星维护与异常情况的处理。
      
    
    
  • 地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。
    
  
  

  

GPS的地面监控部分⑤

• 注入站（3个）
  
  
  
  • 作用：
    将导航电文注入GPS卫星。
    
  • 地点：
    阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）
    
  
  

GPS的用户部分①

• 组成
  
  
  
  • 用户
    
  • 接收设备
    
  
  
• 接收设备
  
  
  
  • GPS信号接收机
    
  • 其它仪器设备
    
  
  

GPS的用户部分②

• GPS信号接收机
  
  
  
  • 组成
    
    
    
    • 天线单元
      
      
      
      • 带前置放大器
        
      • 接收天线
        
      
      
    • 接收单元
      
      
      
      • 信号通道
        
      • 存储器
        
      • 微处理器
        
      • 输入输出设备
        
      • 电源
        
      
      
    
    
  
  

GPS的用户部分 ③

• 天线单元
  
  
  
  • 类型
    
    
    
    • 单极天线
      
    • 微带天线
      
    • 锥形（螺旋）天线
      
    • 四丝螺旋天线
      
    • 空间螺旋天线
      
    • 背腔平面盘旋天线
      
    
    
  
  

GPS的用户部分④

• 天线单元（续）
  
  
  
  • 特点
    
    
    
    • 单极天线
      
      
      
      • 单频或双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中心稳定、结构简单
        
      
      
    • 微带天线
      
      
      
      • 结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用）、低增益、应用最为广泛
        
      
      
    • 锥形（螺旋）天线
      
      
      
      • 四丝螺旋天线 – 单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、增益特性好、不需要底板
        
      
      
    • 空间螺旋天线 – 双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称
      
      
      
      • 背腔平面盘旋天线
        
      
      
    
    
  
  

GPS的用户部分⑤

• 天线单元
  
  
  
  • 天线特性
    
    
    
    • 相位中心、增益方式、带宽、极化
      
    
    
  • 相位中心
    
    
    
    • 平均相位中心与几何中心
      
    • 相位中心的偏移
      
    • 相位中心偏移的消除：归心改正、消去法
      
    • 天线高 – 标志至平均相位中心所在平面的垂直距离
      
    
    
  
  

GPS的用户部分⑥

• 接收单元
  
  
  
  • 接收（信号）通道
    
    
    
    • 定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。
      
    • 类型：根据信号跟踪方式：序惯通道、多路复用通道和多通道；根据工作原理：码相关通道、平方通道等
      
    
    
  • 存储器
    
  • 微处理器
    
    
    
    • 作用：数据处理、控制
      
    
    
  • 输入输出设备
    
  • 电源
    
  
  

GPS的用户部分⑦

李小路

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