图4.1 GPS工作卫星星座
4.1 GPS卫星星座
GPS的空间部分由24颗卫星组成，每颗卫星由地面站注入轨道信息、时间和电离层修正等参数，将这些参数存储和处理，并用L波段的两个载频发射C/A码和P码调制信号，为用户提供计算卫星位置及测定用户至卫星之间的伪距等信息，完成定位、测速和授时等任务。
GPS空间卫星星座1978年计划由分布在三个轨道上的24颗卫星组成，1981年因考虑经费问题改为6个轨道的18颗卫星星座。如果采用18颗星的星座，在某些区域短期内定位精度下降，不能满足某些应用要求。大约在1986年将卫星增加到21颗，即在18颗星的基础上增加了3颗有源在轨备用性。
目前，全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，如图4.1和4.2所示，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55度。各个轨道平面之间相距60度， 即轨道的升交点赤经各相差60度。
图4.2 GPS星座的卫星分布
4.2 GPS卫星轨道的计算
通过以上各章节的介绍，我们已经对坐标系统和确定卫星位置的轨道参数有了初步的了解。同时，根据图4.1和图4.2，我们可以对GPS的空间部分有了一个大概的认识。我们已经可以想象出分布在6个轨道上的24颗卫星绕着运动着的地球运转的情况。卫星下面，我们做一些约定和假设，选取一些特定的参数来定量的计算出卫星的轨道方程和卫星的位置与时间的关系。
图4.3 卫星轨道
4.2.1 卫星轨道方程
由于地球不停地运动着，卫星也不停地运动，所以固定坐标系。在此坐标系中，地球和卫星都是运动的。选取6个轨道的升交点相差60o分别为：
0o，60o，120o，180o，240o，300o。
取n表示卫星轨道的编号，n = 0，1，2，3，4，5。
取R表示卫星轨道半径。
因为6个卫星轨道面都过坐标原点，所以令平面方程为：
4.2.2 计算卫星位置与时间的关系
将卫星的轨道投影到轨道面上，如图4.4 所示，得到一椭圆，此椭圆的长轴为R， 短轴为Rcos55o.
图4.4
设卫星的角速度为ω，时间为τ，卫星初始角度为.，则卫星方程为：
这个α表示卫星向经与椭圆长轴之间的夹角。 这个角如果是锐角，那么，它就为：
但是如果这个角为钝角或其他的角，则需要分类讨论。
求得：
所以，得到卫星位置与时间的关系为：
4.3 特定仰角下所能见到的卫星的计算
设地球半径r，卫星轨道半径R， 给定仰角α，如图4.5所示，求β。列方程为：
图4.5
地球上此点所能看到的卫星到P点的距离不超过|PQ|。
