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

【專(zhuān)家解說(shuō)】：GPS是美國(guó)國(guó)防部開(kāi)發(fā)的星基全球無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航系統(tǒng)，它可為全球范圍內(nèi)的飛機(jī)、艦船、地面部隊(duì)、車(chē)輛、低軌道航天器，提供全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置、三維速度以及時(shí)間數(shù)據(jù)。其主要任務(wù)是使海上艦船、空中飛機(jī)、地面用戶(hù)及目標(biāo)、近地空間飛行的導(dǎo)彈以及衛(wèi)星和飛船，實(shí)現(xiàn)各種天氣條件下連續(xù)實(shí)時(shí)的高精度三維定位和速度測(cè)定，還用于大地測(cè)量和高精度衛(wèi)星授時(shí)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(dá)到完全運(yùn)行能力。GPS衛(wèi)星已發(fā)展了2代4種型號(hào)，耗資300億美元。現(xiàn)在軌道運(yùn)行的為第2代的兩種型號(hào)——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(gè)，分別設(shè)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(shè)備，包括一臺(tái)直徑為3.6m的天線(xiàn)，一臺(tái)C波段發(fā)射機(jī)和一臺(tái)計(jì)算機(jī)，其主要任務(wù)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(dǎo)航電文和其它控制指令等注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)系統(tǒng)。并監(jiān)測(cè)注入信息的正確性。 監(jiān)測(cè)站的主要任務(wù)是為主控站編算導(dǎo)航電文提供觀測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)站現(xiàn)有5個(gè)，一控站、注入站兼做監(jiān)測(cè)站，另外一個(gè)設(shè)在夏維夷。每個(gè)監(jiān)測(cè)站均設(shè)有GPS接收機(jī)，對(duì)每顆可見(jiàn)衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，并采集氣象要素等數(shù)據(jù)。 　　整個(gè)GPS地面監(jiān)控部分，除主控站外均無(wú)人值守。各站間用現(xiàn)代化的通訊系統(tǒng)聯(lián)系在起來(lái)，在原子鐘和計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)和精確控制下，各項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了高度的自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)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(hù)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(gè)傾角為 55°的軌道平面上，運(yùn)行周期12小時(shí)。地球上任何地方任一時(shí)刻都能同時(shí)觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星。地面控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)衛(wèi)星的測(cè)軌和運(yùn)行控制。用戶(hù)系統(tǒng)為各種用途的GPS接收機(jī)，根據(jù)用途它可分為測(cè)地型、全站型、定時(shí)型、普通型和集成型；根據(jù)攜帶者又可分為車(chē)載式、船載式、機(jī)載式、星載式、彈載式和手持式。 GPS接收機(jī)可裝載于各種飛行器(包括導(dǎo)彈、炸彈)、艦船、車(chē)輛或者個(gè)人手持，還可以集成于計(jì)算機(jī)、測(cè)繪儀、照相機(jī)等儀器設(shè)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(gè)軌道上。衛(wèi)星軌道平面相對(duì)地球赤道的傾角為55°各個(gè)軌道平面之間交角為60°軌道平均高度20200km，衛(wèi)星運(yùn)行周期為11 小時(shí)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(shí)空配置，保證了地球上任意地點(diǎn)，在任何時(shí)刻均至少可以同時(shí)觀測(cè)到4顆衛(wèi)星，因而滿(mǎn)足精密導(dǎo)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(cè)各安裝兩塊雙葉太陽(yáng)能電池板，能自動(dòng)對(duì)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(tái)高精度的原子鐘，其中2臺(tái)為銣鐘，2臺(tái)為銫鐘。原子種為GPS定位提供高精度的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。 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(chǔ)存由地面監(jiān)控站發(fā)來(lái)的導(dǎo)航信息； 2 向GPS用戶(hù)發(fā)送導(dǎo)航電文，年代導(dǎo)航和定位信息； 3 通過(guò)高精度原子鐘（銣鐘和銫鐘）向用戶(hù)提供精密的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)； GPS衛(wèi)星上設(shè)有微處理機(jī)，可進(jìn)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(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)、啟動(dòng)備用衛(wèi)星。