GPS接收机又称为GPS导航仪(GPS navigator)，商用船舶使用的通常是CA码、单频、多通道的GPS导航仪。GPS接收机的生产厂家有很多，例如日本的KODEN、JRC、FURUNO，美国的GARMIN 等。
GPS由三大部分组成：空间部分（24个导航卫星）、地面控制部分（美空军）和用户部分（GPS接收机、卫星导航仪）
空间部分
1、卫星数：24个：21个工作卫星，3个备用卫星，平均分布在6个等间隔的轨道
2、轨道：轨道面相对赤道面的夹角（倾角）为55°,GPS卫星轨道近圆形，6个等间隔的轨道,轨道高度20200Km（准确值20183 Km），属高轨轨道,一个卫星覆盖38％地球表面积,在地平线7．5°以上至少可以看到4颗卫星，在地平线以上至少可以观测到5颗卫星，最多可看到11颗卫星。做到实时定位，连续定位。
3、GPS卫星运行周期：约12h（717．88min≈718 min＝11h58min）每天提前4min。
4、卫星组成：
1）发射机和接收机
2）卫星钟：卫星上装有四部原子钟，铷原子钟和铯原子钟各二个，铯原子钟误差1秒／300万年。卫星钟为卫星连续发射双频的载有导航信号的伪随机码信号提供定时标准。基准时钟频率为10．23MHz。
3）伪码发生器：每颗卫星的发射频率相同，产生的伪码（伪随机码）不同，通过不同的伪码可识别卫星。
4）导航电文存储器：存储接收机接收由地面站发来的导航信息：包括卫星星历（供用户计算该卫星位置的有关数据、该卫星是否工作正常、卫星识别字ID所对应的伪随机码编号PRN）、卫星历书（提供所有21个卫星的概略星历）、GPS系统时间、卫星时钟和电离层校准参数等。
5）卫星发射的信号：卫星同时发射两种频率，分别为L1波段：1575．42MHz，调制有导航数据及伪随机噪声码P码和CA码 L2波段：1227．60MHz，调制有导航数据及伪随机噪声码P 码，P码是一种连续、快速（码率10．23MHz）、长周期（7天、始于每周六格林尼治标准时午夜零时）伪随机二进制码。
CA码：是一种连续、低速（码率1．023MHz）、短周期（1000μs＝1ms）伪随机二进制码。（此处的码率单位应为：兆波特，MBd）。
P码：精测码，1m定位精度，CA码：粗测码，定位精度为20m左右，美国实施的选择可用性政策，使CA码定位精度降到100m范围。
地面控制部分
1．主控站：只有一个，设在科罗拉多州斯普林斯的综合航天控制中心。
主控站作用：
1）从各跟踪站收集跟踪数据，对卫星的轨道参数、时间偏差进行评价，并计算出各卫星原子钟的校正参量、卫星历书、卫星星历、系统状态等，再编制成导航信息码后，送给注入站。
2）提供GPS系统时间基准。监测站、卫星原子钟都与主控站同步。
3）控制卫星轨道，调用备用卫星。
2．跟踪站：共有5个跟踪站也称监测站，跟踪站设置有精确原子钟(铯钟)和能够连续测量所有可见卫星的GPS接收机，所测伪距每1．5s更新一次，电离层和气象数据每15min平滑一次。它的任务是：监测卫星的工作状态，收集当地气象等环境数据，并将测定的信息传送到主控(制)站。
3．注入站：有3个，分别设在三大洋三个岛上注入站每隔8～12h将各种由主控站提供的导航信息注入卫星。
用户部分
1）．“X”型RX，用于高速飞行体，如导弹 2）．“Y”型RX，用于中速飞行体，如军用飞机 3）．“Z”型RX，用于低速飞行体，如商船、民用飞机。
注：“X”和“Y”型RX为双频道接收机，接收L1、L2频率P码定位，“Z”型RX为单频道（单通道）接收机，接收L1频率、CA码定位。
一台GPS导航仪通常由接收天线和主机两部分组成，个别可能还有独立电源。
一、GPS接收机的基本组成
（一）接收天线
GPS导航仪的接收天线是长约20 cm的圆柱形或蘑菇头形，安装在罗经甲板上一定高度的位置，用于接收GPS 卫星发射的信号，如图2-1所示。
图2-1 GPS天线
（二）主机
主机是一台GPS导航仪的主体部分，如图2-2所示。由 电路元器件（数据输入、信号放大处理、解码、数据测量计算、数据显示等）、数据显示屏幕和操作键盘等组成。其主要作用是输人数据，对接收信号进行放大处理、解码，测量计算和显示数据等。
如图2-2
（三）电源
目前，GPS通常需要12 – 24 V的直流电源供电。
二、GPS导航仪的启动与功能
（一）启动（开机）方式
GPS导航仪开机方式一般分为冷启动、热启动和重新启动（日常启动）三种。
1．冷启动
GPS导航仪的冷启动是指一台导航仪安装后第一次开机使用；所存历书太陈旧或者所有数据被清除；停机3个月以上（请参阅仪器说明书）时再次开机，或停机后位置变化100 mile（约161 km）以上（请参阅仪器说明书）时再次开机，称为冷启动。冷启动时，导航仪须进行初始化输入，即需要输入推算船位经纬度、时间、天线高度、HDOP 等数据，导航仪需要搜索卫星，重新收集历书，约30 min后，才开始自动定位。冷启动输入时间的误差不应超过15 min（请参阅仪器说明书），输入船位经纬度的误差不应超过1。（请参阅仪器说明书）。一般将HDOPP值设定为10。
2．热启动
当GPS导航仪关机后，位置变化不超过100 mile（约161 km，请参阅仪器说明书）时或关机不超过3个月（请参阅仪器说明书）时，且导航仪内保存有有效的卫星星历时的启动称为导航仪的热启动。热启动时，一般不需要向导航仪输入初始数据。接通电源后，最多不超过20 min 就可以自动定位。
3．日常启动
船舶在航行或停泊时，GPS导航仪关机后再启动，称为导航仪的日常启动。由于航行或停泊时一般关机时间很短且位置基本不变，GPS导航仪中保存着有效数据，因此日常启动导航仪时不需初始化输入。日常启动时，按下GPS导航仪电源键，导航仪马上就可以自动定位。
（二）GPS导航仪主要功能
GPS导航仪有以下主要功能。
1．船位计算和显示功能
一般每隔1s更新一次船位，显示的船位分为GPS 船位和DR( dead reckoning)船位。当定位时的HDOP大于设定的HDOP时，显示DR 船位。当定位时的HDOP小于设定的HDOP时，显示GPS 船位。
2．导航功能
计算显示航向( CSE)、航速(SPD)；具有偏航报警(XTE)和到达报警的音响和图示；计算显示风流压差；标绘航迹和航路点。
3．航线设计功能
其可输入存储10 条以上航线( route)，每条航线可以设定10个或以上的航路点(waypoint)（请参阅仪器说明书）。计算显示到某一航路点的方位(BRG)、距离(RNG)、到达时间( ETA)、航行时间(TTG -Time To Go)等。
4．存储导航信息
其可以存储10个以上重要航路点( event)、计算航程等。
5．显示卫星的有关信息
显示用于定位的卫星编号( SANO)、仰角(ELV)、方位角(AZL)、HDOP、信噪比( S/N)等。
（三）导航仪的主要特征
(1)具有两种图形显示方式，便于船舶导航使用。
(2)可显示下列导航数据：船位、航速和航向、时间的流逝、到下一个航路点的方位和距离、航迹偏差、航向偏差、剩余航行时间、到目的地的总航行时间与航程、DOP值、当前的日期与时间、GPS 卫星状态、DGPS状态（KGP-913D型）和MOB（Man Over Board）显示。
(3)存储200个航路点和200个事件点。
(4)使用存储的400个航路点，可以编辑成20 条航线，可选择航线正向或反向使用。
(5)具有声响和视觉报警，报警类型有：偏航报警、航向偏差报警、到达报警、走锚报警等。
(6) MOB（人员落水）显示模式，在人员落水发生时，可以存储落水发生时的位置，并不断计算更新到落水点的方位和距离，以便于迅速施救。
(7)通过NMEA-0183 数据接口对其他设备进行灵活的数据输出。
(8)可同时显示船舶航迹（最多2 000个船位）和到目的地的航线。
三、GPS接口设置
GPS设备采用RS-232/RS-422 串行通信标准接口或NMEA0183接口。RS-232接口适合近距离（15 m以内）传输，RS-422适合远距离（大于几十米）传输。NMEA0183接口为GPS专用接口。RS-232/RS-422接口为9芯的标准通用接口，如图2-3所示。表 2-1和表2-2分别给出了接口的定义。
在RS-232接口的9针(Pin)中，有3针用于I/O通信。
某些GPS设备使用非9针标准接口，见图2-4所示（6芯接口）。对应接口设置说明见表2-3。
下面以GP-150型（由FURUNO 公司生产）具有DGPS功能的导䑿仪为例，介绍相关接口情况，该设备主要由主机和天线组成。GPS设备的接口电路用于GPS接收机与其他设备的连接，如PC机，绘图仪，雷达等等。通过接口电路可以将GPS接收机内数据传递给其他设备，常用的标准接口有RS323接口，RS422接口及NMEA0183接口。
四、GPS与其他设备的连接
以KGP-913型GPS 卫星导航仪为例，介绍与其他设备连接情况。GPS可以通过数据接口外接其他需要定位信息的设备，如图2-6和图2-7所示，其外接设备可以是DGPS信标接收器、电子海图、航海雷达、测深仪、自动舵和GMDSS需要GPS信息的通信终端设备。
图2-5 KGP-913型GPS 卫星导航仪连接示意图
GPS总结
工作原理：高精度、全天候、连续、近于实时三维定位与导航，GPS通常采用伪码法进行测距
GPS系统组成：卫星、地面站、用户（地面站分：主控站、跟踪站、注入站）3部分（与下面的DGPS进行比较）
GPS系统参数： GPS接收机启动模式
卫星 | 21+3颗，分布在6个轨道 | GPS每帧电文需时30秒，完整的历书需时12.5分钟 | |||
运行周期 | 11h58min | 启动模式 | 接收机存有的信息 | 特点 | |
轨道高度 | 20183千米，高轨道 | 1冷启动： | （啥也没有） | 需要初始化输入 | |
2温启动 | 历书、时间、位置 | 断电24小时内，启动耗时5分钟内 | |||
3热启动 | 星历、历书、时间、位置 | 启动耗时2分钟内 | |||
GPS卫星工作频率：
波段 | 频率 | 序列码 | 双频作用：修正信号传播延迟 |
L1 | 1575.42MHZ | P码、CA码 | CA码精度20-30米，低速、短周期，码率；1.023 MHZ |
L2 | 1227.60 MHZ | P码 | P码精度1米，连续、快速、长周期，码率；10.23 MHZ |
任何地方，地平线上至少可观测到5颗卫星，在地平线7.5°以上至少有4颗卫星。三维定位：至少用4颗卫星，二维定位：至少用3颗卫星。
GPS系统误差：
伪测距误差 | 卫星误差 | 星历表误差 | |
卫星钟剩余误差 | 1ns精度相当于0.3米误差 | ||
群延迟误差 | |||
信号传播误差 | 电离层折射误差 | 赤道附近大，通过双频收发消除 | |
对流层折射误差 | 选取仰角5～85°的卫星、数学模型校正 | ||
多径效应 | |||
GPS接收机误差 | 接收机通道间偏差 | ||
接收机噪声 | |||
接收机量化 | |||
几何误差 （精度几何因子GDOP） | 三维PDOP | 水平HDOP | 水平位置误差=等效测距误差× HDOP |
高程VDOP | 位置高度误差=等效测距误差× VDOP | ||
时间TDOP | 时间误差=等效测距误差× TDOP×10÷0.3 | ||
海图标绘误差 | WGS-84坐标系 |
DGPS系统组成：卫星、基准站、用户、数据链4部分（与上面的GPS进行比较）
DGPS的分类：
DGPS根据差分作用范围分类：局域差分、广域差分、广域增强 |
DGPS系统误差：
公共误差：卫星钟、星历、电离层折射、对流层折射、SA政策（能消除） |
非公共误差： 多径效应、导航仪噪声、导航仪量化、通道间偏差（不能消除） |
最佳选星的原则是：选择4颗仰角满足要求(5º<仰角<85º)，构成的空间几何图形能使精度几何因子GDOP值最小
GPS位置更新时间约1s左右
GPS警报：到达警、偏航警、锚更警、距离警等。卫星状态一般HDOP小于等于10，如果用2D模式必须根据吃水输入海面到桅顶高度；坐标系要用WGS-84；导航仪电池4年一换。
