美国GPS卫星导航系统24颗卫星如何运作？4颗备用卫星有哪些用途？

【专家解说】：GPS是美国国防部开发的星基全球无线电导航系统，它可为全球范围内的飞机、舰船、地面部队、车辆、低轨道航天器，提供全天候、连续、实时、高精度的三维位置、三维速度以及时间数据。其主要任务是使海上舰船、空中飞机、地面用户及目标、近地空间飞行的导弹以及卫星和飞船，实现各种天气条件下连续实时的高精度三维定位和速度测定，还用于大地测量和高精度卫星授时等。 　　第1颗GPS卫星于1978年10月6日发射， 1994年3月完成24颗卫星组网，1995年4月27日达到完全运行能力。GPS卫星已发展了2代4种型号，耗资300亿美元。现在轨道运行的为第2代的两种型号——GPS启用备用卫星以取代失效的工作卫星。 　　注入站现有3 个，分别设在印度洋的迭哥加西亚(Diego Garcia)南在大西洋的阿松森岛(Ascencion)的南太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein)。注入站的主要设备，包括一台直径为3.6m的天线，一台C波段发射机和一台计算机，其主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算出和编制的卫星星历，钟差，导航电文和其它控制指令等注入到相应卫星的存储系统。并监测注入信息的正确性。 监测站的主要任务是为主控站编算导航电文提供观测数据，监测站现有5个，一控站、注入站兼做监测站，另外一个设在夏维夷。每个监测站均设有GPS接收机，对每颗可见卫星进行连续观测，并采集气象要素等数据。 　　整个GPS地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用现代化的通讯系统联系在起来，在原子钟和计算机的驱动和精确控制下，各项工作实现了高度的自动化和标准化。-2A和2R，卫星寿命约7.5年。 　　GPS由空间系统、地面控制系统和用户系统三大部分组成。其空间系统由24颗工作卫星和3颗备份卫星组成，分布在20200千米高的6个倾角为 55°的轨道平面上，运行周期12小时。地球上任何地方任一时刻都能同时观测到4颗以上的卫星。地面控制系统负责卫星的测轨和运行控制。用户系统为各种用途的GPS接收机，根据用途它可分为测地型、全站型、定时型、普通型和集成型；根据携带者又可分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式和手持式。 GPS接收机可装载于各种飞行器(包括导弹、炸弹)、舰船、车辆或者个人手持，还可以集成于计算机、测绘仪、照相机等仪器设备中。 GPS工作卫星星座由24颗卫星组成，其中21颗工作卫星和3颗备用卫星，均匀分布在6个轨道上。卫星轨道平面相对地球赤道的倾角为55°各个轨道平面之间交角为60°轨道平均高度20200km，卫星运行周期为11 小时58分钟，同一轨道上各卫星之间的交角为90°，GPS卫星的上述时空配置，保证了地球上任意地点，在任何时刻均至少可以同时观测到4颗卫星，因而满足精密导航和定位的需要。GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m重约774kg(其中包括310kg燃料），两侧各安装两块双叶太阳能电池板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作的用电，每颗GPS卫星上装有4台高精度的原子钟，其中2台为铷钟，2台为铯钟。原子种为GPS定位提供高精度的时间标准。 GPS卫星的基本功能是： 1 执行地面监控站的控制指令，接收和储存由地面监控站发来的导航信息； 2 向GPS用户发送导航电文，年代导航和定位信息； 3 通过高精度原子钟（铷钟和铯钟）向用户提供精密的时间标准； GPS卫星上设有微处理机，可进行必要的数据处理工作。并可根据地面监控站指令，调整卫星姿态、启动备用卫星。