1.4 全球定位系统（GPS）简介

全球定位系统最初是美国国防部建立并控制的卫星定位系统（Global Positioning System，GPS）。它可用做经度、纬度和高度的三维定位、频率同步和时间同步，是一整套覆盖全球的全方位导航系统。早期该系统主要为美国军方服务，用于导航定位。到了20世纪90年代，由于GPS接收机价格下降，用户不付使用费，加之它又能够提供高性能的频率同步和时间同步，通信领域也开始使用GPS系统，随着通信的迅速发展，GPS系统的应用越来越广泛。

GPS系统分卫星系统、地面控制系统和用户设备三大部分。

卫星系统

GPS卫星系统包括24颗卫星（其中有3颗备用），共分布在6个轨道上。每个轨道上平均3～4颗卫星。轨道平均高度为20200km，每个轨道面相对于赤道的倾角为55°。卫星的运行周期为11h58min。全球的任何一个地方、在任何时候至少可以接收到4颗卫星的信号，最多可接收到8颗卫星的信号。每颗卫星上都载有铷时钟（简称铷钟），接受地面主时钟（简称主钟）的控制。

地面控制系统

地面控制系统包括1个主控站（MCS）、5个监控站（MS）和3个卫星地面站。监控站分布在不同的地域，可同时监测多达11颗卫星的数据，但对数据不作过多的处理，而是将原始测试数据和有关信息送到主控站去处理。主控站经数据处理后，估算出每个卫星的位置和时间参数，与地面基准相比对，得出对卫星的控制指令。这些新的数据和指令被送往卫星地面站，由其发送给卫星。卫星按这些新的指令和数据进行运转，并把有关数据发送给全球用户。主控站中用于比对的基准由美国海军天文台控制发送，它是原子钟与UTC比对后的信号。这样，就使卫星的铷钟与GPS主时钟保持精确的同步。卫星用不同的频率发射两种信号如下：

• L1波段：1575.42MHz，载有民用码（C/A码）和军用码（P码）；
• L2波段：1227.26MHz，仅有军用码（P码）。

用户设备

用户设备实际上就是GPS接收机，包括天线、馈线和中央处理器。中央处理器由高稳定晶体振荡器和锁相环路组成，它对接收的信号进行处理，并经严密的误差校正处理，处理后输出的信号有很高的长期稳定性，使定时精度优于300ns。

由于铷钟较铯钟经济实用，便于维护，频率可调范围大，其短期稳定性也好，不足之处是长期稳定性欠佳。为此，在通信网中多将铷钟与GPS配合使用，利用GPS的长期稳定性能，使用铷钟的输出信号作为定时的基准源。现今有些厂家使用优化的晶体振荡器替代铷钟，也能满足一级时钟的标准。

由于GPS用途广泛，而且很重要，将在另一章（第7章）中专门介绍其应用。