GPS全球定位系统由三个独立的部分组成：空间部分、地面控制部分、用户设备部分。

一、空间部分——GPS星座

GPS的空间部分是由24颗卫星组成的星座，其中21颗是工作卫星、3颗是备用卫星，如图1.3.1所示。这24颗工作卫星位于距地表20 200 km的上空，它们均匀地分布在轨道倾角为55°的6个轨道面上，即每个轨道面有4颗工作卫星，各个轨道平面之间相距60°，即轨道的升交点赤经各相差60°。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90°，同一轨道平面上的卫星比两边相邻轨道平面上的相应卫星超前30°，以保证全球均匀覆盖的要求。卫星的这种分布特点使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图像。这就提供了在时间上连续的全球定位能力。

在两万千米高空的GPS卫星，当地球相对于恒星自转一周时，它们绕地球运行2周，即绕地球运行一周的时间为12恒星时。这样对于地面观测者来说，每天将提前4分钟看到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见4颗，最多可见11颗。在用GPS卫星信号定位导航时，为了解算出测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。这4颗卫星在定位过程中的几何位置分布对定位精度有一定影响。

3颗在轨的备用工作卫星相间布置在3个轨道平面中，随时可以根据指令代替发生故障的其他卫星，以保证整个GPS空间星座正常而高效地工作。

GPS卫星的编号：按发射先后次序编号（01～24）；按PRN（卫星信号所采用的伪随机噪声码）的不同编号；国际编号（第一部分为该星发射年代，第二部分表示该年中发射卫星的序号，字母A表示发射的有效负荷）；按轨道位置顺序编号等。在导航定位测量中，一般采用PRN编号。

在GPS系统中，GPS卫星星座的功能如下：

（1）用L波段的两个无线载波（19 cm和24 cm波段）向广大用户连续不断地发送导航定位信号。包括提供精密时间标准、粗略导航定位伪距C/A码、精密测距P码和反映卫星当前空间位置和卫星工作状态的导航电文。

（2）在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段（10 cm波段）发送到卫星的导航电文和其他有关信息，并适时发送给广大用户。

（3）接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地调整卫星的姿态，改正卫星运行轨道偏差，启用备用卫星。GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5 m，质量约774 kg，两侧设有两块双叶太阳能板，能自动对日定向，以保证卫星正常供电。

每颗卫星配置有4台高精度原子钟（2台铷钟和2台铯钟），这是卫星的核心设备。它将发射标准频率信号，为GPS定位提供高精度的时间标准。

图1.3.1　GPS卫星星座

二、地面控制部分——地面监控系统

GPS的控制部分由分布在全球的若干个跟踪站所组成的地面监控系统构成，根据其作用的不同，这些跟踪站被分为1个主控站、5个全球监测站和3个地面注入站。

主控站位于美国科罗拉多的法尔孔空军基地，它的作用是根据从各监控站对GPS卫星的观测数据，包括电离层和气象数据，计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到3个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时，把这些定位数据及主控站指令注入卫星。同时主控站还对卫星进行控制，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。另外，主控站也具有监测站的功能。

监控站有5个，除了主控站外，其他4个分别位于夏威夷、阿松森群岛、迭戈伽西亚、卡瓦加兰。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接收机。其作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态。注入站有3个，分别位于阿松森群岛、迭戈伽西亚、卡瓦加兰，其作用是将导航定位数据及主控站指令注入卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障，那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度会逐渐降低。

对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。其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计算得到的。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。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准——GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，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。

三、用户设备部分——GPS信号接收机

用户设备部分即GPS信号接收机，是实现GPS卫星导航定位的终端仪器。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接收机体积越来越小，质量越来越小，便于野外观测使用。

1.GPS卫星信号接收机的分类

（1）按接收机的用途分类——导航型、测量型、授时型。

①导航型接收机。

此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机一般采用C/A码进行伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为±25 m，有SA影响时为±100 m。这类接收机价格便宜，应用广泛。根据应用领域的不同，此类接收机还可以进一步分为：

车载型——用于车辆导航定位。

航海型——用于船舶导航定位。

航空型——用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空上用的接收机要求能适应高速运动。

星载型——用于卫星的导航定位。由于卫星的速度高达7 km/s及以上，因此对接收机的要求更高。

②测量型接收机。

早期主要用于大地测量和工程测量，采用载波相位的相对定位。近年来，实时差分动态定位（PTD GPS）技术，采用伪距测量，米级精度，用于精密导航和海上定位；实时相位差分动态定位（RTK GPS）技术，采用载波相位测量，厘米级精度，用于精密导航、工程测量、三维动态放样等，其仪器结构复杂，价格较高。

③授时型接收机。

这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通信中时间同步。

（2）按接收机的载波频率分类——单频、双频。

①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（＜15 km）的精密定位。

②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一样，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。

（3）按接收机的工作原理分类——码相关型、平方型、混合型、干涉型。

①码相关型接收机。(www.daowen.com)

利用码相关技术得到伪距观测值，如P码、C/A码。

②平方型接收机。

利用载波信号的平方技术去掉调制信号，来恢复完整的载波信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。这类接收机无须知道测距码的结构，所以又称为无码接收机。

③混合型接收机。

这种仪器是综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，又可以得到载波相位观测值。目前常用的接收机均属于此类。

④干涉型接收机：这种接收机是将GPS卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间距离。

（4）按接收机的通道数分类——多通道、序贯通道、多路复用通道。

当GPS接收机的全向天线接收到所有来自天线水平面以上的卫星信号之后，必须首先把这些信号隔离开来，以便进行处理和量测。这种对不同卫星信号的隔离，就是通过接收机内若干分离信号的通道来实现的。

通道是由硬件和相应的控制软件组成的。每个通道，在某一时刻只能跟踪一颗卫星的一种频率信号。当接收机需同步跟踪多个卫星信号时，原则上可能采用两种跟踪方式：一是接收机具有多个分离的硬件通道，每个通道都可连续地跟踪一个卫星信号；二是一个信号通道，在相应软件的控制下跟踪多个卫星信号。

①多通道接收机。

具有四个及四个以上信号通道数量，能够不间断地跟踪每个卫星信号，从而可连续地对卫星信号的测距码和载波进行量测，且具有较好的信噪比。其缺点是各通道间存在信号延迟的偏差，必须进行比对和改正；另外，由于通道数较多，结构较为复杂，不利于减小接收机的质量和体积。

②序贯通道接收机。

只有一个通道，结构简单、体积小、质量轻，早期的导航型接收机中常采用。在软件支持下，按时序顺次对各颗卫星的信号进行跟踪和测量，对所测卫星信号量测一个循环，所需时间大于20 ms。由于序贯通道在对多个卫星信号依次进行量测时，其在不同信号之间的转换率与导航电文的比特率（50 bit/s）是不同步的，所以序贯通道在对一个卫星信号测量时，要丢失其他一些卫星信号的信息，无法获得卫星的完整导航电文。因此，一个序贯通道接收机，一般都需要一个额外的通道来获取电文。

③多路复用通道接收机。

与贯序通道相类似，多路复用通道同样对进入该通道的所有卫星信号在相应软件的控制下，按时序依次进行量测，但其量测一遍的总时间小于或等于20 ms。由于多路复用通道对卫星信号一次量测的时间很短，能在不同的卫星信号之间，以及L1、L2两个频率信号之间，进行高速地转换，转换的速率同导航电文的比特率（50 bit/s）同步，只有1～2个通道，需要软件支持，测量一个循环时间短，可保持GPS信号的连续跟踪，可获得完整的导航电文。其信噪比低于多通道接收机。

2.GPS接收机的组成及工作原理

GPS接收机主要是由GPS接收机天线单元，GPS接收机主机单元和电源单元三部分组成。GPS接收机作为用户测量系统，按其构成部分的性质和功能，可分为硬件部分和软件部分。

（1）硬件部分。

接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存储器及显示器组成，基本结构如图1.3.2所示。

图1.3.2　GPS信号机的构成

GPS接收机天线如图1.3.3所示，其作用是将极微弱的GPS卫星信号电磁波能转化为相应的电流，变频器中的前置放大器则是将GPS信号电流予以放大。微波传输带状天线（微带天线）因其体积小、质量轻，性能优良而成为GPS信号接收机天线的主要类型。

图1.3.3　GPS天线

信号通道是接收单元的核心部分，由硬件和软件组合而成。每一个通道在某时刻只能跟踪一颗卫星。其信号通道作用不仅是搜索和跟踪卫星，还可以由导航电文数据信号解调出导航电文内容，进行伪距测量和载波相位测量。

接收机内设有存储器，用以存储一小时一次的卫星星历、卫星历书、接收机采集到的码相位伪距观察值、载波相位观察值及多普勒频移。接收机内存储的数据可以通过数据接口传到计算机上，以便进行数据处理和数据保存。在存储器内还装有多种工作软件，如自测试软件、天空卫星预报软件、导航电文解码软件、GPS单点定位软件等。微处理器是GPS信号接收机的控制系统，GPS接收机的一切工作都在微处理器的指令控制下自动完成。

GPS接收机都有液晶显示屏以提供GPS接收机工作信息，并配有一个控制键盘。用户可通过键盘控制接收机工作。对于导航接收机，有的还配有大显示屏，在屏幕上直接显示导航信息甚至数字地图。

电源一般采用蓄电池，机内一般配备锂电池，为RAM存储器供电。

（2）软件部分。

软件部分是构成现代GPS测量系统的重要组成部分之一。一个功能齐全、品质良好的软件，不仅能方便用户使用，满足用户的各方面要求，而且对于改善定位精度，提高作业效率和开拓新的应用领域都具有重要意义。所以，软件的质量与功能已成为反映现代GPS测量系统先进水平的一个重要标志。一般来说，软件包括内软件和外软件。内软件是指装在存储器内的自测试软件、卫星预报软件、导航电文解码软件、GPS单点定位软件或固化在中央处理器中的自动操作程序等。这类软件已和接收机融为一体。而外软件主要是指GPS观测数据后处理软件包。

3.几种常见GPS卫星信号接收机厂家

目前主要的GPS接收机厂商有：美国Magellan公司（麦哲伦公司）、Trimble公司等。

美国的Magellan公司是全球第一个手持GPS商标，1989年便推出了消费类的手持GPS，至今保持着在消费类GPS中的领先地位。

Trimble公司成立于1978年，30多年来一直在GPS技术开发和实际应用中处于行业领先地位。超过512项的已注册GPS专利是Trimble公司引以为傲的技术基石，并以先进、耐用的特点确立了牢固的市场地位。今天的Trimble技术在导航、精确授时、无线网同步、高精度大型工程综合解决方案、精准农业等方面发挥着不可替代的作用。

根据GPS用户的不同要求，所需的接收设备也有差异。随着GPS定位技术的迅速发展和应用领域的日益扩大，许多国家都在积极研制、开发适用于不同要求的GPS接收机及相应的数据处理软件。

近几年，国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5 mm+1 ppm·D，接收机在一定距离内精度可达10 mm+2 ppm·D，用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。

目前，各种类型的GPS接收机体积越来越小，质量越来越轻，便于野外观测。GPS和GLONASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。