北斗美国定位系统

GNSS定位测量第3章典型的卫星导航系统美国的全球定位系统

在我们的穹顶之上，有一个超级俱乐部，它只有四个成员，却吸引了各国元首和科学家的关注。这个俱乐部就是全球卫星导航系统，四个成员分别是美国的全球定位系统、俄罗斯的格洛纳斯系统、欧盟的伽利略系统，以及中国的北斗卫星导航系统。它们在不同轨道错综交织，组成了一张张导航系统的“天网”。本章我们将重点介绍国外三个典型的卫星导航系统。典型的卫星导航系统北斗卫星导航系统美国的全球定位系统主要内容北斗卫星导航系统全球定位系统的构成01北斗卫星导航系统

美国的全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）由空间部分、地面控制部分和用户部分构成。GPS是美国国防部研制和维护的中距离圆形轨道卫星导航系统，它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位测速和高精度的时间标准。美国的全球定位系统北斗卫星导航系统美国的全球定位系统北斗卫星导航系统

GPS系统具有以下特点:●全天候，不受任何天气的影响;●全球覆盖（覆盖率高达98%）;●三维定点定速定时，高精度;美国的全球定位系统●快速、省时、高效率;●应用广泛、多功能;●可移动定位。北斗卫星导航系统空间部分02北斗卫星导航系统

GPS的空间部分由24颗卫星组成，其中21颗为工作卫星，3颗为备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上，即每个轨道面上有4颗卫星。美国的全球定位系统北斗卫星导航系统

卫星轨道面相对于地球赤道面的倾角为55°。这种布局的目的是保证在全球任何地点、任何时刻至少可以观测到4颗卫星。卫星的轨道高度20200千米，轨道周期11小时58分。美国的全球定位系统北斗卫星导航系统

GPS卫星主要部件包括星载原子钟（铯钟、铷钟和氢原子钟），天线（有12个单元的多波束定向天线和全向遥测遥控天线）以及太阳能电池板与蓄电池。美国的全球定位系统北斗卫星导航系统

星上的核心设备是高精度铯原子钟，稳定度为10-13~10-14，具有抗辐射性能，它发射的标准频率信号为GPS定位提供高精度的时间标准。美国的全球定位系统北斗卫星导航系统铯原子钟NIST7

GPS卫星产生两组电码，一组称为CA码;一组称为P码，P码频率较高，不易受干扰，定位精度高，因此受美国军方管制，并设有密码，主要为美国军方服务。CA码在被人为采取措施而刻意降低精度后，主要开放作为民用。美国的全球定位系统北斗卫星导航系统GPS-2RM卫星地面监控部分03北斗卫星导航系统

地面监控部分由1个主控站、3个注入站和5个监测站构成，分布于地面的5个地点。美国的全球定位系统-地面监控部分北斗卫星导航系统

主控站又称联合空间执行中心，位于美国科罗拉多州斯普林斯附近的佛肯空军基地。其主要任务是:（1）采集数据、推算编制导航电文；（2）给定GPS系统时间基准；美国的全球定位系统-地面监控部分北斗卫星导航系统

（3）负责协调和管理所有地面监控站和注入站系统，诊断所有地面支撑系统和天空卫星的健康状况，并加以编码向用户指示，使得整个系统正常工作；（4）调整卫星运动状态，启动备用卫星。美国的全球定位系统-地面监控部分北斗卫星导航系统

注入站将主控站传来的卫星星历、钟差信息、导航电文和其他控制指令等注人卫星的存储器中，使卫星的广播信号获得更高的精度，满足用户的需求。美国的全球定位系统-地面监控部分北斗卫星导航系统

监测站共有5个，配备高精度铯钟和双频GPS接收机，在主控站的直接控制下，自动对卫星进行持续不断的跟踪测量，将接收到的数据进行处理和存储，然后传送到主控站。美国的全球定位系统-地面监控部分北斗卫星导航系统用户设备04北斗卫星导航系统

用户设备由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备（如计算机等）组成。用户设备的作用是接收GPS卫星发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。美国的全球定位系统-用户设备北斗卫星导航系统

这些设备随着用户使用目的的不同而有各种各样的型号。美国的全球定位系统-用户设备北斗卫星导航系统GPS的现代化进程05北斗卫星导航系统

自从1978年10月6日美国第一颗GPS卫星上天以来，已有多颗各种类型的GPS导航卫星被发射升空。1994年3月10日，由24颗卫星构成的导航卫星星座部署完毕，标志着GPS正式建成。美国的全球定位系统-GPS的现代化进程北斗卫星导航系统

到目前为止，美国共发射61颗GPS卫星，包括GPS-1、GPS-2、GPS-2A、GPS-2R、GPS-2RM和GPS-2F等型号。美国的全球定位系统-GPS的现代化进程▲GPS-2F卫星北斗卫星导航系统

自正式投入使用以来，GPS陆续暴露出一些问题，主要是卫星发射的信号太弱，只有几毫瓦，因此容易受到干扰。一台1瓦的干扰机就能有效干扰60千米远的质量较好的商用GPS接收机，使其不能接收导航卫星信号。为此美国在不断提高GPS卫星的性能。美国的全球定位系统-GPS的现代化进程北斗卫星导航系统

现在，美国已提出了多项GPS抗干扰措施:（1）研制抗干扰的军用接收机，通过改进软件或预先设置抗干扰措施，过滤掉干扰信号；（2）对卫星进行改造，增强信号的强度，增加新的导航信号，开发新的军用密码，保证在现有信号受到敌方干扰而失效时，卫星仍然能够发挥作用；（3）提高自主能力，使导航卫星能短时期摆脱对地面系统的依赖。美国的全球定位系统-GPS的现代化进程北斗卫星导航系统

从2010年开始陆续发射的12颗GPS-2F卫星上，除了具有GPS-2RM的功能外，还增加了新的民用频率，信号功率也提高了10倍，并采用星间链路和自主导航新技术，使GPS卫星可自主运行60~180天。GPS-2F卫星还采用了更先进的星上原子钟，可使GPS-2F卫星钟系统的误差达到每天8纳秒。美国的全球定位系统-GPS的现代化进程北斗卫星导航系统

计划发射的GPS-3系列卫星将选择全新的设计方案，使信号功率比现有系统提高100倍;使用更高性能的原子钟，如氢钟，以增大卫星使用寿命改变卫星轨道构型和轨道高度，美国的全球定位系统-GPS