GPS百科全书知识解析:导航系统的组成

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GPS的一般认同就是作为导航使用的，那么什么叫做导航呢？导航的定义是“使载体或者人员从一个地方到另外一个地方的科学”。在我们日常生活中，我们无时不刻都会接触到导航的概念，从我们上下班到乘坐交通工具，无论是我们的经验还是车站的站牌，如果没有“导航”的概念存在其中，那么我们无法从一个地方到另外一个地方。



利用大型系统进行导航服务其实并不是从GPS系统开始的。简单来说我们可以把导航系统的装置分为陆基与星基两种，前者的导航系统装置是设计在陆地上的，工作频率较高的装置定位精度高但是会受到“视线”（遮蔽物）的影响，而工作频率较低的装置其定位精度较低，所以一般适用在低动态（移动速度低）的定位对象上。
而GPS系统在上世纪60年代就已经出现了构想，在1964年建成了子午仪系统，适用于低动态对象上。在对卫星导航的技术逐步改进、修改实验之后，GPS系统就孕育而生了。
GPS系统因为其搭载了高精度的原子时钟，可以为高动态对象提供精准的定位服务，加上2000年以来，美国取消了对GPS系统的植入误差，这样地球上绝大多数的地方都能够从GPS民用信号上获得精度最高在3米左右的定位质量，成为了现在我们应用最为广泛的卫星定位技术。
今天我们就将GPS系统分为几个部分来为大家讲解一下什么是GPS系统，相信不少对于GPS系统特别关心的朋友们一定很想知道，通过广播式的信号接收运算，如何能够使我们实时进行高精度的定位的，通过本文我们来简单的了解一下。
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GPS的卫星星座及发展
GPS系统虽然是一个卫星定位导航系统，但是其组成部分却并不只有卫星部分，GPS全球定位系统一共由三个部分组成，首先是我们很熟悉的卫星星座、其次是同样非常重要的地面控制/监测网络、最后就是我们用户自己的接收设备了。可能有的人会说，为什么要把GPS系统分为三个部分呢？那有卫星在天上之后就可以进行定位了，为什么还需要地面控制呢？我们先来简单的将这三个部分为大家讲解一下。

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首先GPS系统对于我们用户来说是一个无源系统，即用户的接收机只负责接收、解码、计算工作，并不会返还数据，所以只要信号覆盖到的地方，可以有无数的用户使用GPS系统，这与我们的广播电台的原理相似。
GPS卫星的标准配置为24颗卫星，但是目前因为有超时服役的卫星加上新的卫星补充进去，其实数量上已经超过了24颗卫星的配置，其运行的轨道也做了相应的调整。GPS卫星的运行轨道是分布在6条轨道上，而每条轨道上标准的卫星颗数为4颗，轨道运行一圈的时间近似12小时（半个恒星日），保证了在绝大多数地方都能够提供有效稳定的导航服务。
导航卫星上搭载有L1、L2频段的信号，在Block IIF卫星开始增加了L5频段的信号，其卫星的发展情况我们大致做一个简单的介绍。
Block I卫星是GPS系统最早的卫星，目的是为了验证系统设计的可行性，因此只制造了11颗卫星，于1978年至1985年之间发射，但是因为卫星上只能存储3.5天的星历，所以需要频繁的与地面联系做上载新的数据。如果没有地面进行管理，卫星在很短时间内就会发生姿态变化影响到实际的导航定位需求。卫星上搭载了铷/铯原子时钟各两台。虽然设计寿命为5年左右，但是不少卫星坚挺的工作超过寿命两倍多，为之后的卫星设计以及故障分析留下了宝贵的数据。
Block II卫星是借鉴了上一代卫星之后，进行改善后的第二代卫星，共9颗卫星与1989年开始发射，卫星内置存储提高到14天的星历，并且实现了自主的动量控制，这样可以减少与地面控制的频繁联系，内部搭载多台铷/铯原子时钟。平均设计寿命为6年，但是卫星实际工作的时间长度平均约12年。这也是GPS系统初期的卫星产品。
而后出现多了Block IIA卫星与上一代卫星十分类似，增强了系统的一些功能，比如说将自主运行时间扩大至180天，卫星可以连续工作6个月无需和地面联系。共生产了19颗。
Block IIR卫星则是为了全面兼容及替换Block II与Block IIA卫星而生产的，支持GPS系统所需要的基本特性，L1频段上的C/A和P（Y）码以及L2频段上的P（Y）码。所有的Block IIR卫星都带有3个铷原子频标（RAFS），简单来讲就是更加先进的始终标准，Block IIR在设计中还大大加强了物理封装，从而提高了卫星的稳定性与可靠性。后有改良的Block IIR-M卫星，重新设计了L1/L2的发射器等许多硬件设备。
由于军事需要，被要求增加新的军用捕获码以及新的L5民用频段信号的增加，Block IIF就孕育而生了，而目前Block IIF卫星根据最近的报道来看，生产公司已经交由波音公司，并且发射时间也比预定的2007年开始要晚了几年。GPS IIF卫星增强了军事抗干扰能力，并且载有更加先进技术的原子钟，卫星载有新的第三个民用信号，设计寿命延长为12年。
基本上以上就是GPS卫星的一个简单的发展历史，GPS卫星其实在构造上并没有我们想象中的那么复杂。简单来说就是内置有统一时间的原子钟，经由频率发生器然后从发射端广播出去；并且内置有与地面控制段通讯的设备，太阳能提供能源，并且带有推进器进行实时的姿态控制。
小记：GPS卫星在发展的过程中为了保证前后的兼容性，基本原理是没有变化的，主要加强了原子时钟的准确度以及卫星的质量与稳定性，目前GPS系统的星座数量已经超过了最初的设计数，并且在不断的加强中，与其他国家在建的导航系统相比依旧有很大的优势。
同样重要的地面控制段
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那么说完了卫星的部分我们来看看地面控制段为什么对于GPS系统非常重要，控制段（CS）主要负责监测、指挥、控制GPS卫星，地面控制段主要监测L频段的导航信号，更新导航电文（卫星运行的数据），解决卫星出现的异常状况（空中姿态出现偏差等）。要是没有地面控制段时刻进行系统的监测调整，那么我们就很难保证GPS系统能够一直持续的为我们工作。



GPS系统的地面控制段由监测站与地面天线组成，具体数量不详，主要的工作是监测维护卫星的健康状况、检测卫星的轨道、估计预测卫星时钟和星历参数、生成GPS导航电文、维持卫星授时与UTC标准时间同步、监测导航服务完整性、循环校对记录传输给GPS用户的导航信息、控制卫星激动变化以及在飞行器故障时维持GPS卫星轨道并回复位置。
换句话说，地面控制段的主要作用就是实时监控每一个卫星，保证其正常的工作状态，避免卫星出现问题或者偏差影响了地面用户接收计算定位信息。可以说虽然地面控制段我们普通用户是不会接触到的，但是其作用与GPS卫星的的作用同样重要，维持卫星定位系统正常运行就需要地面控制段全天候监测。
小记：其实地面控制段与卫星段一样重要，远在高空的卫星如果没有地面控制段的监控，出现了位置的偏差，时间发布不同步，或者说因为位置偏差发生相撞事故的话，会直接影响到我们用户使用导航系统，同时卫星造价到发射费用都非常昂贵，维护卫星的工作也显得尤为重要。
最熟悉的接收设备
那么我们用户最常遇到的就是GPS的接收器了，在GPS系统中也被归于用户段，用户通过GPS接收机来接收卫星发送的信号，并加以计算，并得到相应的坐标点来进行定位。



接收机的组成部分其实并不复杂，如果说把GPS接收机看做是一台个人电脑的话，那么仅仅是在这个个人电脑上添加上了天线以及接收器的硬件部分，然后将接收到的数据交由电脑来进行运算并显示出来。
GPS接收机的组成部分主要包括5个部分，（1）天线部分连接（2）接收机并将接收到的数据导入（3）处理器进行运算，然后将结果通过（4）显示单元来进行显示，而所有的电子产品都建立在（5）电源上。虽然详细分析的话GPS接收机其实还有很多知识，比如说天线的类型、接收机的性能等，但是我们简化之后这么理解就足够了。
而GPS信号到坐标结果的计算方式也比较复杂，原理是通过同步时间然后计算接收机到卫星的位置，并加入卫星所在位置的变量，通过我们几何中学习到的已知三角形2边长计算第3边长度的原理来计算的。
但是因为地球本身并非正圆形，所以在这个简单的公式中需要逃入非常多的公式进行补差，笔者也并非数学专业，所以在这里也没有办法为大家详细介绍GPS是如何计算坐标的过程了。
小记：其实我们用户手中的GPS接收机无论是那一种类别的，基本原理都与电脑的构架相似，可能有的跟踪器或者记录器产品少有不同，因为功能的设计不需要显示设备，但是在接收运算坐标位置是同一个原理。
其它的卫星导航系统
因为卫星定位无论是在军事、民用服务、还是公共设施的应用反面都有非常重要的作用。那么简单介绍完了GPS系统的组成部分，那么我们再来看看世界上还有那些卫星定位系统正在建造中的。
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首先是我们比较熟悉的北斗卫星导航系统，是我国自己的卫星导航系统，目前已经发射8颗在轨卫星，并将在2020年完成约30颗卫星组成的全球导航系统。目前与美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统、欧洲GALILEO系统被全球导航卫星系统委员会（ICG）确定的四大全球导航卫星系统核心供应商。
俄罗斯的GLONASS系统为俄罗斯建造，命名为俄语全球导航系统的缩写，最早开发与苏联时期，并一直持续至今，目前俄罗斯境内已经开放了系统的服务，并逐渐扩大至全球范围，是目前除GPS系统之外完成度最高的一个卫星导航系统。
欧洲GALILEO系统欧洲计划建设的新一代民用全球卫星导航系统，按照规划伽利略计划将耗资约27亿美元，系统由30颗卫星组成，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为候补卫星。但是由于资金问题该系统的建造进度受到了影响，原计划在2008年完成系统建设为客户提供服务，但是目前系统的进度情况不明。
加上美国GPS系统，这四大导航系统构成了目前地球上的卫星导航系统的主力。除此之外日本为了保证国内的卫星定位的稳定性，研发了准天顶系统，该系统不具备全球定位服务的功能，依靠于GPS系统来辅助日本国内的定位产品进行精准定位，同理还有印度的GAGAN系统。
小记：全球目前有1个建成的卫星导航系统，3个在建的卫星导航系统，2个辅助GPS定位的系统，通过这些系统覆盖全球，我们在未来可以有更多的定位选择，同时系统是全天候不间断且免费的，无疑是我们用户的一大福音。

最熟悉的接收设备
虽然卫星导航系统的资金投入非常大，但是因为其全天候、不间断且不存在用户接入数量的问题，一套卫星导航系统可以为地球上每一个人提供导航定位服务，其性能的强大不言而喻。



并且基本上我们都会在生活中或多或少的接触到GPS定位功能，包括目前的智能手机产品中绝大多数都带有了GPS定位功能，利用手机作为运算载体来接收GPS信号并进行定位。可以说我们的生活中将越来越多的接触到卫星定位这个概念。
今天将GPS系统的一些简单的知识分享给大家，希望大家能够在使用GPS导航仪的同时能够了解到GPS系统背后的一些故事，给大家带来一些有趣的知识。
后记：GPS系统自身分为三个部分，是目前全球应用最为广泛的定位导航系统，无论是汽车、轮船、飞机甚至到农业、金融、电力、物流等各个行业都能与GPS车上一点关系，虽然我们不一定会购买车载GPS导航仪使用，但是不可否认GPS定位已经深入到我们生活的每一个角落了。
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