美國GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)24顆衛(wèi)星如何運作？4顆備用衛(wèi)星有哪些用途？

【專家解說】：GPS是美國國防部開發(fā)的星基全球無線電導航系統(tǒng)，它可為全球范圍內的飛機、艦船、地面部隊、車輛、低軌道航天器，提供全天候、連續(xù)、實時、高精度的三維位置、三維速度以及時間數(shù)據(jù)。其主要任務是使海上艦船、空中飛機、地面用戶及目標、近地空間飛行的導彈以及衛(wèi)星和飛船，實現(xiàn)各種天氣條件下連續(xù)實時的高精度三維定位和速度測定，還用于大地測量和高精度衛(wèi)星授時等。 　　第1顆GPS衛(wèi)星于1978年10月6日發(fā)射， 1994年3月完成24顆衛(wèi)星組網(wǎng)，1995年4月27日達到完全運行能力。GPS衛(wèi)星已發(fā)展了2代4種型號，耗資300億美元?，F(xiàn)在軌道運行的為第2代的兩種型號——GPS啟用備用衛(wèi)星以取代失效的工作衛(wèi)星。 　　注入站現(xiàn)有3 個，分別設在印度洋的迭哥加西亞(Diego Garcia)南在大西洋的阿松森島(Ascencion)的南太平洋的卡瓦加蘭(Kwajalein)。注入站的主要設備，包括一臺直徑為3.6m的天線，一臺C波段發(fā)射機和一臺計算機，其主要任務是在主控站的控制下，將主控站推算出和編制的衛(wèi)星星歷，鐘差，導航電文和其它控制指令等注入到相應衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)。并監(jiān)測注入信息的正確性。 監(jiān)測站的主要任務是為主控站編算導航電文提供觀測數(shù)據(jù)，監(jiān)測站現(xiàn)有5個，一控站、注入站兼做監(jiān)測站，另外一個設在夏維夷。每個監(jiān)測站均設有GPS接收機，對每顆可見衛(wèi)星進行連續(xù)觀測，并采集氣象要素等數(shù)據(jù)。 　　整個GPS地面監(jiān)控部分，除主控站外均無人值守。各站間用現(xiàn)代化的通訊系統(tǒng)聯(lián)系在起來，在原子鐘和計算機的驅動和精確控制下，各項工作實現(xiàn)了高度的自動化和標準化。-2A和2R，衛(wèi)星壽命約7.5年。 　　GPS由空間系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)和用戶系統(tǒng)三大部分組成。其空間系統(tǒng)由24顆工作衛(wèi)星和3顆備份衛(wèi)星組成，分布在20200千米高的6個傾角為 55°的軌道平面上，運行周期12小時。地球上任何地方任一時刻都能同時觀測到4顆以上的衛(wèi)星。地面控制系統(tǒng)負責衛(wèi)星的測軌和運行控制。用戶系統(tǒng)為各種用途的GPS接收機，根據(jù)用途它可分為測地型、全站型、定時型、普通型和集成型；根據(jù)攜帶者又可分為車載式、船載式、機載式、星載式、彈載式和手持式。 GPS接收機可裝載于各種飛行器(包括導彈、炸彈)、艦船、車輛或者個人手持，還可以集成于計算機、測繪儀、照相機等儀器設備中。 GPS工作衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星組成，其中21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星，均勻分布在6個軌道上。衛(wèi)星軌道平面相對地球赤道的傾角為55°各個軌道平面之間交角為60°軌道平均高度20200km，衛(wèi)星運行周期為11 小時58分鐘，同一軌道上各衛(wèi)星之間的交角為90°，GPS衛(wèi)星的上述時空配置，保證了地球上任意地點，在任何時刻均至少可以同時觀測到4顆衛(wèi)星，因而滿足精密導航和定位的需要。GPS衛(wèi)星的主體呈圓柱形，直徑約為1.5m重約774kg(其中包括310kg燃料），兩側各安裝兩塊雙葉太陽能電池板，能自動對日定向，以保證衛(wèi)星正常工作的用電，每顆GPS衛(wèi)星上裝有4臺高精度的原子鐘，其中2臺為銣鐘，2臺為銫鐘。原子種為GPS定位提供高精度的時間標準。 GPS衛(wèi)星的基本功能是： 1 執(zhí)行地面監(jiān)控站的控制指令，接收和儲存由地面監(jiān)控站發(fā)來的導航信息； 2 向GPS用戶發(fā)送導航電文，年代導航和定位信息； 3 通過高精度原子鐘（銣鐘和銫鐘）向用戶提供精密的時間標準； GPS衛(wèi)星上設有微處理機，可進行必要的數(shù)據(jù)處理工作。并可根據(jù)地面監(jiān)控站指令，調整衛(wèi)星姿態(tài)、啟動備用衛(wèi)星。