GPS
AI 摘要：GPS（全球定位系统）是指美国研制并运行的全球卫星导航系统，由空间段、控制段和用户段组成。它与GLONASS和北斗的区别是：GPS是全球最早建成并投入全面运行的卫星导航系统，采用6个中圆地球轨道面、24颗工作卫星的经典MEO星座构型，轨道高度约20200 km，轨道倾角55°，运行周期约11小时58分（半个恒星日）。GPS提供标准定位服务（SPS）和精密定位服务（PPS），民用SPS定位精度优于10米，授时精度约20纳秒量级。GPS III卫星设计寿命15年，信号精度相比第二代提升3倍，抗干扰能力提升8倍。
一句话定义
GPS（Global Positioning System，全球定位系统）是指美国建设并运行的全球卫星导航系统，由空间段（导航卫星星座）、控制段（地面监控网络）和用户段（接收机）组成，为全球用户提供全天候三维位置、速度和时间信息。
概念边界：GPS 不等于 GNSS
“GPS”在通俗语境中常被用作“卫星导航”的代名词，但 GPS 只是全球导航卫星系统（GNSS）中的一个具体系统。
GPS 与 GNSS 的区别是：GNSS 是涵盖所有全球导航卫星系统的统称，包括 GPS、GLONASS、北斗和 Galileo；GPS 是美国建设的一个具体系统，是 GNSS 中最早建成、用户最多的成员。现代接收机普遍支持多系统多频段接收，同时跟踪 GPS、北斗、GLONASS 和 Galileo 的信号。“用 GPS 导航”的说法在实际使用中可能意味着接收到了多个系统的信号组合。
GPS 与地面无线电导航系统的区别是：GPS 的导航信号从约 20200 km 高的中圆地球轨道播发，覆盖范围是全球性的；传统地面无线电导航系统（如罗兰-C）的信号从地面台站播发，覆盖范围限于台站周边数百至上千公里。
星座构型：六个轨道面与半个恒星日
GPS 空间段的核心设计可以用两个数字概括：6 和 24。
GPS 基本星座由 24 颗卫星构成，分布在 6 个轨道面内，每个轨道面 4 颗卫星-1。轨道为近圆轨道，轨道高度约 20200 km（轨道半径约 26600 km），轨道倾角 55°，六个轨道面在赤道面上等间隔 60° 分隔-1-7。系统可支持总数为 30 至 32 颗的在轨卫星-1。
轨道周期为 11 小时 58 分钟，即半个恒星日-1-7。这一设计的关键含义是：同一颗 GPS 卫星每天在同一恒星时刻出现在天空的同一位置，星座几何构型每个恒星日重复一次。这一特性简化了地面控制段的轨道维持和用户接收机的卫星搜索策略。
| 参数 | 数值 | 说明 |
|---|---|---|
| 轨道面数量 | 6 个 | 等间隔 60° 分布 |
| 工作卫星数量 | 24 颗 | 每面 4 颗 |
| 轨道高度 | 约 20200 km | 中圆地球轨道（MEO） |
| 轨道倾角 | 55° | 对中纬度地区覆盖良好 |
| 运行周期 | 11 小时 58 分 | 半个恒星日 |
卫星代际与性能演进
GPS 卫星的设计经历了从 Block I 到 Block III 的多代演进，每一代在寿命、功率和信号能力上均有提升。
Block II/IIA 于 1989 年起发射，质量约 1500 kg 至 1816 kg，设计寿命 7.5 年，太阳能电池阵功率约 800 W-7。Block IIA 具备卫星间通信能力。
Block IIR 从 1997 年开始发射，质量约 2000 kg 至 2217 kg，设计寿命 10 年，具备自主定轨和自主导航能力，可在无地面控制段支持的情况下运行约半年而不降低星历精度-7。
Block IIF 的首颗卫星于 2010 年发射，理论平均寿命约 12 年，太阳能电池阵功率提升至约 2450 W，新增 L5 频段民用信号-7。
GPS III 是当前最新一代。GPS III 卫星设计寿命 15 年，发射质量约 3680 kg 至 4352 kg，功耗约 15 kW，太阳能电池阵功率相比前代大幅提升-4-8。GPS III 的核心性能提升包括：信号精度相比传统 GPS 星座提高 3 倍，抗干扰能力提高 8 倍-8-16。GPS III 新增 L1C 民用信号，与 Galileo 等系统实现互操作-8。GPS III 计划由 A 系列 10 颗和 F 系列 22 颗，共计 32 颗卫星组成-16。
信号结构与频率
GPS 卫星在 L 波段播发导航信号，民用用户主要使用 L1 和 L2 频段。
| 信号 | 载波频率 | 码率 | 说明 |
|---|---|---|---|
| L1 C/A | 1575.42 MHz | 1.023 Mcps | 民用标准定位服务 |
| L1 P(Y) | 1575.42 MHz | 10.23 Mcps | 军用/授权用户 |
| L2 P(Y) | 1227.60 MHz | 10.23 Mcps | 军用/授权用户，双频电离层校正 |
| L2C | 1227.60 MHz | 1.023 Mcps | 第二代民用信号 |
| L5 | 1176.45 MHz | 10.23 Mcps | 第三代民用信号，航空安全应用 |
L1 频段的 C/A 码（粗捕获码）码元宽度约 1 微秒，对应的测距精度在米级，是民用标准定位服务的基础-20。P 码（精测码）码率更高，测距精度更高，但仅限美国军方和授权用户使用。
GPS 卫星的 L1 频段发射功率在 76 W 至 249 W 范围内（IGS 模型值），信号到达地面的功率密度极低，约 -160 dBW 量级-13。这一极低的信号功率是 GPS 易受干扰的物理根源。
常见问题 FAQ
GPS 和北斗有什么区别？
最核心的区别是功能定位和星座构型。GPS 只提供定位、导航和授时（PNT）服务，用户只能接收信号；北斗在提供 PNT 服务的同时，具备短报文通信能力，用户可以通过卫星发送和接收短消息。星座方面，GPS 采用纯 MEO 星座（6 个轨道面、24 颗卫星），全球覆盖均匀；北斗采用 GEO+IGSO+MEO 混合星座，对亚太地区提供更好的几何构型和抗遮挡能力。此外，北斗三号的民用定位精度（亚太地区 2 至 3 米）优于 GPS 民用精度（优于 10 米）。
GPS 的定位精度是多少？
GPS 标准定位服务（SPS）的民用精度在水平方向优于 10 米（95% 置信度）-2。测速精度约 0.1 m/s 量级，授时精度约 20 纳秒量级。通过差分 GPS（DGPS）技术，定位精度可提升至亚米级；通过 RTK 载波相位差分技术，精度可达厘米级。GPS III 相比第二代 GPS 的信号精度提升了 3 倍，但实际定位精度还受卫星几何构型、大气条件和接收机性能影响。
GPS 会被干扰吗？
会。GPS 信号到达地面的功率密度极低（约 -160 dBW 量级），远低于背景噪声，因此微弱的干扰信号就可能压制导航信号。干扰类型包括压制式干扰（大功率信号淹没导航信号）和欺骗式干扰（播发伪造的导航信号使接收机解算出错误位置）。GPS III 的抗干扰能力相比第二代提升了 8 倍，采用了更高功率的信号和增强的抗干扰技术-16。但对于关键基础设施，仍需部署干扰监测和定位系统来发现和定位干扰源。
GPS 需要几颗卫星才能定位？
至少 4 颗。接收机需要解算四个未知量：三维位置坐标（x, y, z）和接收机钟差。每颗卫星提供一个伪距观测方程，四个方程才能解出四个未知量。GPS 星座设计确保全球任意地点用户至少同时可见 4 颗卫星（仰角 15° 以上），通常可见 6 至 8 颗-7。如果接收机已通过其他途径获得精确时间，理论上三颗卫星可以定位，但实际系统中通常仍要求至少四颗。