24颗卫星距地高度为20200km,运行周期为11小时58分(恒星时12小时),均匀分布在6个轨道平面内,轨道倾角为55度,各个轨道平面之间相距60度,每个轨道平面内各颗卫星之间相差90度。卫星通过天顶时,卫星可见时间为5个小时,在地球表面上任何地点任何时刻,在高度角15度以上,平均可同时观测到6颗卫星,最多可达9颗卫星。示例如图2:
图2 GPS卫星网络
为了解算测站的三维坐标,必须观测4颗GPS卫星,称为定位星座。
1.1.2地面监控系统
对于导航定位来说,GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历--描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历,是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作,以及卫星是否一直沿着预定轨道运行,都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一个重要作用是保持各颗卫星的时间,求出钟差,然后由地面注入站发给卫星,卫星再由导航电文发给用户设备。
GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。主控站的作用是根据各监控站对GPS的观测数据,计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等,并将这些数据通过注入站注入到卫星中去;同时,它还对卫星进行控制,向卫星发布指令,当工作卫星出现故障时,调度备用卫星,替代失效的工作卫星工作;另外,主控站也具有监控站的功能;监控站主要任务是为主控站提供卫星的观测数据;注入站任务是将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器。
1.1.3GPS信号接收机
能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号,并跟踪这些卫星的运行,对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理,以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间,解译出GPS卫星所发送的导航电文,实时地计算出测站的三维位置,甚至三维速度和时间。
1.2GPS定位原理
GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的,卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间,再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰,这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离,而是伪距)。
当GPS卫星正常工作时,会不断地用1和0