全球定位系统（GPS）包括三大组成部分，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。

图6-1　GPS系统的组成

1）空间星座部分

GPS卫星的主体呈圆柱形，两侧有太阳能帆板。能自动对日定向。太阳能电池为卫星提供工作用电。每颗卫星都配备有4台原子钟，可为卫星提供高精度的时间标准。卫星上带有燃料和喷管，可在地面控制系统的控制下调整自己的运行轨道。GPS卫星的基本功能是：接收并存储来自地面控制系统的导航电文；在原子钟的控制下自动生成测距码（C/A码和Y码）和载波；采用二进制相位调制法将测距码和导航电文调制在载波上播发给用户；按照地面控制系统的命令调整轨道，调整卫星钟，修复故障或启用备用件以维护整个系统的正常工作。

GPS系统的空间部分由24颗卫星组成，其中包括21颗工作卫星和3颗随时可以启用的备用卫星。均匀分布在距地面高度为20200km的6个轨道面上，每个轨道面上均匀分布有4颗卫星，相临两轨道上的卫星相隔40°。卫星轨道平面相对地球赤道面的倾角约为55°，各轨道平面升交点的赤经相差60°。在相邻轨道上，卫星的升交距角相差30°。卫星运行周期约为11小时58分。因此，同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前约4分钟。每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目，随时间和地点的不同而异，最少为4颗，最多可达11颗。其发射信号能覆盖地面面积38%。卫星连续不断地向地面发射两个波段的载波导航定位信号，载波信号频率分别为1575.442MHz（L1波段）和1227.6MHz（L2波段）。

图6-2　GPS卫星

图6-3　GPS卫星星座

在GPS系统中，GPS卫星的基本功能如下：

（1）接收和储存由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令。

（2）向广大用户连续发送定位信息。

（3）卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作。

（4）通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准。

（5）在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。

2）地面监控部分

支持整个系统正常运行的地面设施称为地面监控部分。地面监控系统为确保GPS系统的良好运行发挥了极其重要的作用。它主要由分布在全球的5个地面站所组成，其中包括主控站、卫星监测站和信息注入站。

（1）主控站

主控站一个，设在美国本土科罗拉多州斯本斯空间联合执行中心。主控站除协调和管理地面监控系统的工作外，其主要任务是根据本站和其他监测站的所有跟踪观测数据，计算各卫星的轨道参数、钟差参数以及大气层的修正系数，编制成导航电文并传送至各注入站；主控站还负责调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。必要时启用备用卫星以代替失效的工作卫星。

①负责管理、协调地面监控系统中各部分的工作。

②根据各监测站送来的资料，计算、预报卫星轨道和卫星钟改正数，并按规定格式编制成导航电文送往地面注入站。

③调整卫星轨道和卫星钟读数，当卫星出现故障时负责修复或启用备用件以维持其正常工作，无法修复时调用备用卫星去顶替它，维持整个系统正常可靠地工作。(www.daowen.com)

（2）监测站

监测站是在主控站控制下的无人值守的数据自动采集中心。全球现有的5个地面站均具有监测站的功能。其主要任务是为主控站提供卫星的观测数据。每个监测站均用GPS接收机对可见卫星进行连续观测，以采集数据和监测卫星的工作状况，所有观测数据连同气象数据传送到主控站，用以确定卫星的轨道参数。

①对视场中的各GPS卫星进行伪距测量。

②通过气象传感器自动测定并记录气温、气压、相对湿度（水汽压）等气象元素。

③对伪距观测值进行改正后再进行编辑、平滑和压缩，然后传送给主控站。

注入站是向GPS卫星输入导航电文和其他命令的地面设施。3个注入站分别位于迭哥伽西亚岛、阿松森群岛和卡瓦加兰岛。注入站能将接收到的导航电文存储在微机中，当卫星通过其上空时再用大口径发射天线用S波段（10cm波段）不断发送卫星的导航电文和其他有关信息。

图6-4　地面监控系统的地理分布图

（3）注入站

3个注入站分别设在南大西洋的阿松森群岛、印度洋的迭哥伽西亚岛和南太平洋的卡瓦加兰岛。其主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。

整个GPS的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用现代化的通信网络联系起来，在原子钟和计算机的精确控制下，各项工作实现了高度的自动化和标准化。

显然，按照上述方式运行时，整个GPS系统将过多地依赖地面监控部分。一旦监控部分发生故障，全球定位系统将很快失效。对于卫星而言，用10小时内的广播星历进行导航定位，距离定位误差为6m；而用预报14天的广播星历进行导航定位误差将达到200m；用存储于卫星中180天的广播星历进行导航定位时，误差将增至5000m。为了减少对地面监控系统的依赖程度，增强GPS系统的自主导航能力，在卫星中增加了卫星间进行伪距测量、多普勒测量和卫星间相互通讯的能力。试验表明，将预报星历作为先验值，利用卫星间的距离观测值进行定轨，可以使180天星历的误差值降到6m的水平，从而大大增加GPS系统的自主导航能力。

3）用户设备部分

GPS系统的用户是非常隐蔽的，它是一种单程系统，用户只接收而不必发射信号，因此用户的数量也是不受限制的。虽然GPS系统一开始是为军事目的而建立的，但很快在民用方面得到了极大的发展，各类GPS接收机纷纷涌现出来。能对两个频率进行观测的接收机称为双频接收机，只能对一个频率进行观测的接收机称为单频接收机，用户设备的主要任务是接受GPS卫星发射的无线电信号，以获得必要的定位信息及观测量，并经数据处理而完成定位工作。

GPS用户设备部分主要包括：GPS接收机及其天线，微处理器及其终端设备以及电源等。其中接收机和天线是用户设备的核心部分，一般习惯上统称为GPS接收机。

随着GPS定位技术的迅速发展和应用领域的不断开拓，世界各国对GPS接收机的研制与生产都极为重视。世界上GPS接收机的生产厂家约有数百家，型号超过数千种，而且越来越趋于小型化，便于外业观测。单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线。单频接收机在一定距离内精度可达10mm＋2×10-6·D。用于差分定位其精度可达分米级至厘米级。双频接收机可以同时接收L1、L2载波信号，利用双频对电离层延迟的不同，可以消除电离层对电磁波信号的延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千千米的精密定位。双频接收机精度可达5mm＋10-6·D。

（1）GPS接收机

图6-5　单频GPS接收机

能接收、处理、量测GPS卫星信号以进行导航、定位、定轨、授时等项工作的仪器设备叫GPS接收机。GPS接收机由带前置放大器的接收天线、信号处理设备、输入输出设备、电源和微处理器等部件组成。根据用途的不同GPS接收机可分为导航型接收机、测量型接收机、授时型接收机等。按接收的卫星信号频率数可分为单频接收机和双频接收机。

（2）天线单元

天线单元由天线和前置放大器组成。接收天线是把卫星发射的电磁波信号中的能量转换为电流的一种装置。由于卫星信号十分微弱，因而产生的电流通常需通过前置放大器放大后才进入GPS接收机。GPS接收天线可采用单极天线、微带天线、锥形天线等。

结构简单坚固的高度很低的微带天线，既可用于单频，也可用于双频，故被广泛采用。