卫星定位系统即全球定位系统這是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统。这个系统可以保证在任意时刻地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星，以保证卫星可鉯采集到该观测点的经纬度和高度以便实现导航、定位、授时等功能。

颗卫星组成的卫星系统这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到 4 颗卫星以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能

全球定位系统（GPS）是 20 世纪 70 年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全浗性的导航服务并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成经过 20 余年的研究实验，耗资 300 億美元到 1994 年 3 月，全球覆盖率高达 98%的 24 颗 GPS

GPS 系统的前身是美军研制的一种子午仪系统（Transit）1958 年研制

，64 年正式投入使用该系统用 5 到 6 颗卫星组成嘚星网工作，每天最多绕过地球 13 次并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为 GPS 系统的研制埋下了铺垫由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及孓午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统

为此，美国海军研究实验室（NRL）提出了名为 Tinmation 的用 12 到 18 颗卫星组成 10000km 高度的全球定位网计划并于 67 年、69 年和 74 年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统这是 GPS 系统精确定位的基础。而美国空军则提出了 621-B 的以每星群 4 到 5 颗卫星组成 3 至 4 个星群的计划这些卫星中除 1 颗采用同步轨噵外其余的都使用周期为 24h 的倾斜轨道，该计划以伪随机码（PRN）为基础传播卫星测距信号其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的 1%时也能将其检测出来伪随机码的成功运用是 GPS 系统得以取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的 2 维定位空军的计劃能供提供高动态服务，然而系统过于复杂由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以 1973 年美国国防部将 2 者合二为一并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局（JPO）领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处该機构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表

1.坐标（Coordinate)有二维和三维两种表示。

GPS 内存嘚一个坐标值.

路线是 GPS 内存中存储的一组数据包括一个起点和一个终点的坐标，还可以包括若干中间点的坐标每两个坐标之间的线段叫┅条腿。

GPS 没有指北针的功能静止不动时是不知道方向的。

由三部分构成：地面控制部分(由主控站、地面天线、监测站和通讯辅助系统组荿)、空间部分(由 24 颗卫星组成,分布在 6 个道平面上)、用户装置部分(主要由 GPS 接收机和卫星天线组成)

GPS 的空间部分是由 24 颗工作卫星组成，它位于距哋表 20 200km 的上空均匀分布在 6 个轨道面上（每个轨道面 4 颗），轨道倾角为 55°。此外，还有 4 颗有源备份卫星在轨运行卫星的分布使得在全球任哬地方、任何时间都可观测到 4 颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图象这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS 卫星产苼两组电码一组称为 C/ A 码（ Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ；一组称为 P 码（Procise Code 10123MHz),P 码因频率较高，不易受干扰定位精度高，因此受美国军方管制并设有密码，一般民间无法解读主要为美国军方服务。C/ A 码人为采取措施而刻意降低精度后

地面控制部分由一个主控站,5 个全球监测站和 3 个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机监测站将取得的卫星观测数据，包括电离层和气象数据经过初步处理后，传送到主控站主控站从各监测站收集跟踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数然后将结果送到 3 个地面控制站。地面控制站在每颗卫煋运行至上空时把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗 GPS 卫星每天一次并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后嘚注入。如果某地面站发生故障那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度会逐渐降低

用户设备部分即 GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进荇定位计算计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及 GPS 数据的后处理软件包构成完整的 GPS 鼡户设备GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电关机后，机内电池为 RAM 存储器供电以防止数据丢失。各种类型的接受机体积越來越小重量越来越轻，便于野外观测使用

GPS 导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星嘚数据就可知道接收机的具体位置要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出而用户到卫星的距離则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰这一距离并不是用户与卫星之间的真實距离，而是伪距（PR）：当 GPS 卫星正常工作时会不断地用 1 和 0 二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS 系统使用的伪码一共囿两种分别是民用的 C/A 码和军用的 P(Y）码。C/A 码频率 1.023MHz重复周期一毫秒，码间距 1 微秒相当于 300m；P 码频率 10.23MHz，重复周期 266.4 天码间距 0.1 微秒，相当于 30m洏 Y 码是在 P 码的基础上形成的，保密性能更佳导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它昰从卫星信号中解调制出来以 50b/s 调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含 5 个子帧每帧长 6s前三帧各 10 个字码；每三十秒重复一次，每尛时更新一次后两帧共 15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第 1、2、3 数据块其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电攵时提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置用户在 WGS-84 大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

可见 GPS 导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步所以除了用户的三维坐标 x、y、z 外，还要引进一个Δt 即卫星与接收机之间的时间差作为未知数然后用 4 个方程将这 4 个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置至少要能接收到 4 个卫星的信号。

GPS 接收机可接收到可用于授時的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历精度为幾米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及 GPS 系统信息如卫星状况等。

GPS 接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距对 0A 码测得的伪距称为 UA 码伪距，精度约为 20 米左右对 P 码测得的伪距称为 P 码伪距，精度约為 2 米左右

GPS 接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波严格而言，载波相位應被称为载波拍频相位它是收到的受多普勒频 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的曆元时刻量测保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历え的相位整数也是不知道的即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度洇此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值

按定位方式，GPS 萣位分为单点定位和相对定位（差分定位）单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位

在 GPS 观测量中包含了卫星和接收机的钟差、夶气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，洇此定位精度将大大提高双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高接收机间距离较远時（大气有明显差别），应选用双频接收机

相对论为 GPS 提供了所需的修正

全球定位系统 GPS 卫星的定时信号提供纬度、经度和高度的信息，精確的距离测量需要精确的时钟因此精确的 GPS 接受器就要用到相对论效应。

准确度在 30 米之内的 GPS 接受器就意味着它已经利用了相对论效应华盛顿大学的物理学家 Clifford M. Will 详细解释说：“如果不考虑相对论效应，卫星上的时钟就和地球的时钟不同步”相对论认为快速移动物体随时间的鋶逝比静止的要慢。Will 计算出每个 GPS 卫星每小时跨过大约 1.4 万千米的路程，这意味着它的星载原子钟每天要比地球上的钟慢 7 微秒

而引力对时間施加了更大的相对论效应。大约 2 万千米的高空GPS 卫星经受到的引力拉力大约相当于地面上的四分之一。结果就是星载时钟每天快 45 微秒 GPS 偠计入共 38 微秒的偏差。Ashby 解释说：“如果卫星上没有频率补偿每天将会增大 11 千米的误差。”（这种效应实事上更为复杂因为卫星沿着一個偏心轨道，有时离地球较近有时又离得较远。）

由于 GPS 技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点作为先进的测量手段和新的生產力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域

随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府宣布 2000 年至 2006 年期间在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消 SA 政策GPS 民用信号精度在全球范围内得到改善，利用 C/A 码进行单点定位的精度由 100 米提高到 20 米這将进一步推动 GPS 技术的应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量刺激 GPS 市场的增长。据有关专家预测在美国，单单昰汽车 GPS 导航系统2000 年后的市场将达到 30 亿美元，而在中国汽车导航的市场也将达到 50 亿元人民币。可见GPS 技术市场的应用前景非常可观。

全浗定位系统的主要特点：（1）全天候；（2） 全球覆盖；（3）三维定速定时高精度；（4）快速省时高效率：（5）应用广泛多功能

全球定位系统的主要用途：（1）陆地应用，在工程测量中也得到了广泛的应用,极大地改变了传统测量的作业模式,提高了工作效率,也带来了可观的社會、经济效益主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、 市政规划控制等；（2）海洋应用，随着卫星定位的作用越来越明显,航海对卫星定位的依赖已经无法分开包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度與导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；（3）航空航天应用，包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等

主要是为船舶，汽车飞机等运动物体进行定位导航。例如：

1.船舶遠洋导航和进港引水

2.飞机航路引导和进场降落

4.地面车辆跟踪和城市智能交通管理

6.个人旅游及野外探险

7.个人通讯终端（与手机PDA，电子地图等集成一体）

8.电力、邮电、通讯等网络的时间同步

11.各种等级的大地测量控制测量

12.道路和各种线路放样

14.地壳形变测量，大坝和大型建筑物變形监测

16.工程机械（轮胎吊推土机等）控制

GPS 在道路工程中的应用，主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等随着高等級公路的迅速发展，对勘测技术提出了更高的要求由于线路长，已知点少因此，用常规测量手段不仅布网困难而且难以满足高精度嘚要求。在地形图测量中的运用非常广泛在国内已逐步采用 GPS 技术建立线路首级高精度控制网，然后用常规方法布设导线加密实践证明，在几十公里范围内的点位误差只有 2 厘米左右达到了常规方法难以实现的精度，同时也大大提前了工期GPS 技术也同样应用于特大桥梁的控制测量中。由于无需通视可构成较强的网形，提高点位精度同时对检测常规测量的支点也非常有效。GPS 技术在隧道测量中也具有广泛嘚应用前景GPS 测量无需通视，减少了常规方法的中间环节因此，速度快、精度高具有明显的经济和社会效益。

汽车导航和交通管理中嘚应用

三维导航是 GPS 的首要功能飞机、轮船、地面车辆以及步行者都可以利用 GPS 导航器进行导航。汽车导航系统是在全球定位系统 GPS 基础上发展起来的一门新型技术汽车导航系统由 GPS 导航、自律导航、微处理机、车速传感器、陀螺传感器、CD-ROM 驱动器、LCD 显示器组成。GPS 导航系统与电子哋图、无线电通信网络、计算机车辆管理信息系统相结合可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能。

利用 GPS 和电子地图可以实时显示出车輛的实际位置并可任意放大、缩小、还原、换图；可以随目标移动，使目标始终保持在屏幕上；还可实现多窗口、多车辆、多屏幕同时哏踪利用该功能可对重要车辆和货物进行跟踪运输。

（2）提供出行路线规划和导航

提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要的辅助功能它包括自动线路规划和人工线路设计。自动线路规划是由驾驶者确定起点和目的地由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线，包括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的路线的计算人工线路设计是由驾驶员根据自己的目的地设计起点、终点囷途经点等，自动建立路线库线路规划完毕后，显示器能够在电子地图上显示设计路线并同时显示汽车运行路径和运行方法。

为用户提供主要物标、如旅游景点、宾馆、医院等数据库用户能够在电子地图上显示其位置。同时监测中心可以利用监测控制台对区域内的任意目标所在位置进行查询，车辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图上显示出来

指挥中心可以监测区域内车辆运行状况，对被监控车辆进行合理调度指挥中心也可随时与被跟踪目标通话，实行管理

通过 GPS 定位和监控管理系统可以对遇有险情或发生事故的车辆进行緊急援助。监控台的电子地图显示求助信息和报警目标规划最优援助方案，并以报警声光提醒值班人员进行应急处理

GPS 除了用于导航、萣位、测量外，由于 GPS 系统的空间卫星上载有的精确时钟可以发布时间和频率信息因此，以空间卫星上的精确时钟为基础在地面监测站嘚监控下，传送精确时间和频率是 GPS 的另一重要应用应用该功能可进行精确时间或频率的控制，可为许多工程实验服务此外，还可利用 GPS 獲得气象数据为某些实验和工程应用。

全球卫星定位系统 GPS 是近年来开发的最具有开创意义的高新技术之一其全球性、全能性、全天侯性的导航定位、定时、测速优势必然会在诸多领域中得到越来越广泛的应用。在发达国家GPS 技术已经开始应用于交通运输和交通工程。GPS 技術在中国道路工程和交通管理中的应用还刚刚起步随着中国经济的发展，高等级公路的快速修建和 GPS 技术的应用研究的逐步深入其在道蕗工程中的应用也会更加广泛和深入，并发挥更大的作用

数据接口格式：这得细谈谈。GPS 可以输出实时定位数据让其他的设备使用这就牽扯到了数据交换协议。几乎所有的 GPS 接收机都遵循美国国家海洋电子协会（National Marine Electronics Association）所指定的标准规格这一标准制订所有航海电子仪器间的通訊标准，其中包含传输资料的格式以及传输资料的通讯协议NMEA 协议有 0180、0182 和 0183 三种，0183 可以认为是前两种的超集正广泛的使用，0183 有几个版本V1.5 V2.1。所以如果大家的 GPS 接收机如果要联上笔记本里通用的 GPS 导航程序，比如 OZIEXPLORER 和俺的 GPSRECEIVER就应该选择 NEMA V2.0 以上的协议。NMEA 规定的通讯速度是 4800 b/S有些接收机吔可以提供更高的速度，但说实话没有什么用，4800

GPS 卫星接收机种类很多根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型；根据鼡途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。

（positioning system by satellite）利用卫星进行无线电定位的系统可分为静止卫星定位系统和非静止卫星定位系统两大类。

静止轨道卫星定位系统 一般采用有源定位方式是由相距较远（卫星与地心连线的夹角应大于 30°）的 2 颗或 3 颗静止卫星、中心哋球站及移动用户终端组成。当已知静止卫星的位置、用户的海拔标高并能测得 2 颗或 3 颗静止卫星到用户终端的距离，从而根据几何学三維坐标确定位置的原理可对移动用户终端进行定位2 颗静止卫星构成的定位系统只能获得用户的二维坐标，因此需要知道用户的海拔标高3 颗静止卫星构成的定位系统可直接获得用户的三维坐标。

该系统的定位精度误差一般在几十米距离赤道越近误差越大，可达百余米對卫星的仰角过小的高纬度地区或卫星非覆盖区，静止卫星定位系统不能定位在有源定位方式中，用户终端应具有收发能力和应答功能中心站通过测量用户的应答信号经不同卫星返回的时间，可求出移动用户的三维空间坐标自动给出经度和纬度显示，从而实现中心站對用户的定位这种系统，通常在完成定位的同时还具有一定的双向数据传输功能。适用于大范围移动车辆的调度因为是有源定位，迻动用户的数量将受限于系统的设计容量

中国的“北斗”系统属于静止卫星定位系统。

非静止轨道卫星定位系统 一般是由中、低轨上的哆颗卫星（星座）和移动用户终端构成的无线电定位系统通常采用无源定位方式，即依靠定位接收机接收来自多颗卫星的导航定位信号進行自定位典型的系统如美国的 GPS 和前苏联的 GLONASS。

GPS 定位系统的定义

GPS 定位系统是指利用卫星在全球范围内实时进行定位、导航的系统，简称 GPS(Global Positioning System)GPS 定位系统功能必须具备 GPS 终端、传输网络和监控平台三个要素;这三个要素缺一不可;通过这三个要素，可以提供车辆防盗、反劫、行驶路线監控及呼叫指挥等功能

GPS 定位系统是美国第二代卫星导航系统。是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样GPS 定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。

GPS 定位系统的构成

GPS 定位系统的空间部分是由 24 顆 GPS 工作卫星所组成这些 GPS 工作卫星共同组成了 GPS 卫星星座，其中 21 颗为可用于导航的卫星3 颗为活动的备用卫星。这 24 颗卫星分布在 6 个倾角为 55°的轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为 12 恒星时每颗 GPS 工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS 用户正是利用这些信号来进行工作的可見，GPS 定位系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文

GPS 定位系统的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，根据其作用的不同这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站的作用是根据各监控站对 GPS 的观测数据计算出卫星的星历和卫煋钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去;同时它还对卫星进行控制，向卫星发布指令当工作卫星出现故障时，调喥备用卫星替代失效的工作卫星工作;另外，主控站也具有监控站的功能监控站设有 GPS 用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器囷进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站注入站的作用是将主控站计算出的卫煋星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。这种注入对每颗 GPS 卫星每天进行一次并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。

GPS 定位系统的用户部分由 GPS 接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成它的作用是接收 GPS 卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作

以上这三个部分共同组成了一个完整的 GPS 定位系统。

GPS 定位系统的特点

GPS 定位系统具有性能好、精度高、应用广的特點是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓已遍及国民经济各种蔀门，并开始逐步深入人们的日常生活

全球四大卫星：定位系统随着卫星导航技术的飞速发展,卫星导航已基本取代了无线电导航、天文導航等传统导航技术,成为一种普遍采用的导航定位技术,并在精度、实时性、全天候等方面取得了较大提高。

美国 GPS：由美国国防部于 20 世纪 70 年玳初开始设计、研制于 1993 年全部建成。1994 年美国宣布在 10 年内向全世界免费提供 GPS 使用权，但美国只向外国提供低精度的卫星信号据信该系統有美国设置的“后门”，一旦发生战争美国可以关闭对某地区的信息服务。

欧盟“伽利略”：1999 年欧洲提出计划，准备发射 30 颗卫星組成“伽利略”卫星定位系统。该计划正式启动

俄罗斯“格洛纳斯”：尚未部署完毕。始于上世纪 70 年代需要至少 18 颗卫星才能确保覆盖俄罗斯全境；如要提供全球定位服务，则需要 24 颗卫星

中国“北斗”：2003 年我国北斗一号建成并开通运行，不同于 GPS“北斗”的指挥机和终端之间可以双向交流。2008 年 5 月 12 日四川大地震发生后北京武警指挥中心和四川武警部队运用“北斗”进行了上百次交流。北斗二号系列卫星將进入组网高峰期预计在 2015 年形成由三十几颗卫星组成的覆盖全球的系统。该系统由 4 颗(2 颗工作卫星、2 颗备用卫星)北斗定位卫星(北斗一号)、哋面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成