全球定位系統（GlobalPositioningSystem，通常簡稱GPS）是一個中距離圓型軌道衛星導航系統。它可以為地球表面絕大部分地區（98%）提供準確的定位、測速和高精度的時間標準。系統由美國國防部研製和維護，可滿足位於全球任何地方或近地空間的軍事用戶連續精確的確定三維位置、三維運動和時間的需要。該系統包括太空中的24顆GPS衛星；地面上的1個主控站、3個數據注入站和5個監測站及作為用戶端的GPS接收機。最少只需其中4顆衛星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔高度；所能收聯接到的衛星數越多，解碼出來的位置就越精確。
基本介紹
- 中文名：全球定位系統
- 外文名：GlobalPositioningSystem
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GPS信息
GPS全稱全球衛星定位系統，即利用人造衛星傳送的電波測定當時所在位置的系統。在日本和歐美國家，此技術被運用於汽車，為駕駛員創造了一位絕佳的助手——汽車導航儀。當然單純利用GPS測定位置誤差太大，為了實現為汽車導航的目的，研究人員利用FM頻道收發器首先接收從衛星上發來的電波，進行誤差修正後再傳送給汽車上的接收器，經過誤差修正後的信息我們稱為D-GPS，它使測定誤差降至原來的1/10，精度控制在10 米之內。可以說GPS是實現汽車導航的最重要技術之一。
美國GPS全球衛星定位系統
美國GPS全球衛星定位系統VICS（道路交通情報通信系統）也是支持汽車導航儀的一項重要技術。在日本，道路交通情報系統已覆蓋全國80%的地區，所有高速公路及主幹道均能收到VICS信息報導。
有了以上兩套系統的支持，幾年前，汽車導航儀首先在日本被開發出來。面世後風靡日本。駕駛員一旦擁有，立即能感受到它的巨大作用。
可見，汽車導航儀在日本已擁有廣闊的市場，在歐美，巨大的潛在市場還未被完全開發。為了爭奪這塊市場，日本多家著名企業阿爾派、索尼、松下、三菱、歌樂、富士通、建伍等都在生產、銷售汽車導航產品。經過幾年的研製和改進，各品牌汽車導航產品已日臻完善，所提供的服務也越來越周到。
GPS前景
由於GPS技術所具有的全天候、高精度和自動測量的特點，作為先進的測量手段和新的生產力，已經融入了國民經濟建設、國防建設和社會發展的各個套用領域。
隨著冷戰結束和全球經濟的蓬勃發展，美國政府宣布2000年至2006年期間，在保證美國國家安全不受威脅的前提下，取消SA政策，GPS民用信號精度在全球範圍內得到改善，利用C/A碼進行單點定位的精度由100米提高到20米，這將進一步推動GPS技術的套用，提高生產力、作業效率、科學水平以及人們的生活質量，刺激GPS市場的增長。據有關專家預測，在美國，單單是汽車GPS導航系統，2000年後的市場將達到30億美元，而在我國，汽車導航的市場也將達到50億元人民幣。可見，GPS技術市場的套用前景非常可觀。
GPS系統相關原理圖
GPS系統相關原理圖GPS原理
GPS系統的組成
GPS由三個獨立的部分組成：
空間部分：21顆工作衛星，3顆備用衛星。
地面支撐系統：1個主控站，3個注入站，5個監測站。
用戶設備部分：接收GPS衛星發射信號，以獲得必要的導航和定位信息，經數據處理，完成導航和定位工作。GPS接收機硬體一般由主機、天線和電源組成。
GPS定位原理
GPS定位的基本原理是根據高速運動的衛星瞬間位置作為已知的起算數據，採用空間距離後方交會的方法，確定待測點的位置。如圖所示，假設t時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間△t，再加上接收機所接收到的衛星星曆等其它數據可以確定以下四個方程式：
上述四個方程式中待測點坐標x、y、z和Vto為未知參數，其中di=c△ti(i=1、2、3、4)。
NAVSTAR衛星
NAVSTAR衛星di(i=1、2、3、4)分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4到接收機之間的距離。
△ti(i=1、2、3、4)分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4的信號到達接收機所經歷的時間。
c為GPS信號的傳播速度（即光速）。
四個方程式中各個參數意義如下：
x、y、z為待測點坐標的空間直角坐標。
xi、yi、zi(i=1、2、3、4)分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4在t時刻的空間直角坐標，
可由衛星導航電文求得。
Vti(i=1、2、3、4)分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4的衛星鐘的鐘差，由衛星星曆提供。
Vto為接收機的鐘差。
由以上四個方程即可解算出待測點的坐標x、y、z和接收機的鐘差Vto。
GPS系統提供的定位精度是優於10米，而為得到更高的定位精度，我們通常採用差分GPS技術：將一台GPS接收機安置在基準站上進行觀測。根據基準站已知精密坐標，計算出基準站到衛星的距離改正數，並由基準站實時將這一數據傳送出去。用戶接收機在進行GPS觀測的同時，也接收到基準站發出的改正數，並對其定位結果進行改正，從而提高定位精度。差分GPS分為兩大類：偽距差分和載波相位差分。
1．偽距差分原理
這是套用最廣的一種差分。在基準站上，觀測所有衛星，根據基準站已知坐標和各衛星的坐標，求出每顆衛星每一時刻到基準站的真實距離。再與測得的偽距比較，得出偽距改正數，將其傳輸至用戶接收機，提高定位精度。這種差分，能得到米級定位精度，如沿海廣泛使用的“信標差分”。
2．載波相位差分原理
載波相位差分技術又稱RTK（RealTimeKinematic）技術，是實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法。即是將基準站採集的載波相位發給用戶接收機，進行求差解算坐標。載波相位差分可使定位精度達到厘米級。大量套用於動態需要高精度位置的領域。
GPS發展
1957年由蘇聯發射的史波尼克(Sputnik)人造衛星，它是人類歷史上的第一顆人造衛星，至第二次大戰時，美國麻省理工學院無線電實驗室成功的開發了精密導航系統，以利用陸地上的無線電基地台為架構，計算無線電波長及電波到達的時間並以三角定位法計算出自己所在的位置，以當時的技術來說，雖然誤差到達一公里以上，但在當時的運用卻是相當廣泛。
當蘇聯成功的發射第一顆人造衛星時，美國約翰霍普金斯大學(JohnHopkimsUniver--sity)展示了可以由人造衛星的無線電訊號的杜卜勒移動現象來定出個別的衛星運行軌道參數，雖然這只是邏輯上的一點小進展，但假如我們能夠得到衛星運行軌道參數，那么我們就能計算出在地球上的位置。
1960~1970年之間，美國和蘇聯開始研究利用軍事衛星來做導航用途，到了1974年，軍方對GPS做了整合，即是我們所熟知的Navstar系統。
1980年代後期開始，所有Navstar系統的商業運用均歸美國海岸防衛隊負責，GPS已和地面基地台為架構的LORAN和OMEGA無線電導航系統結合，成為美國國家導航信息服務的一環。
GPS實施計畫
第一階段為方案論證和初步設計階段。從1973年到1979年，共發射了4顆試驗衛星。研製了地面接收機及建立地面跟蹤網。
第二階段為全面研製和試驗階段。從1979年到1984年，又陸續發射了7顆試驗衛星，研製了各種用途接收機。實驗表明，GPS定位精度遠遠超過設計標準。
測試架上的GPS衛星
測試架上的GPS衛星第三階段為實用組網階段。1989年2月4日第一顆GPS工作衛星發射成功，表明GPS系統進入工程建設階段。1993年底實用的GPS網即（21+3）GPS星座已經建成，今後將根據計畫更換失效的衛星。
全球定位系統具有性能好、精度高、套用廣的特點，是迄今最好的導航定位系統。隨著全球定位系統的不斷改進，硬、軟體的不斷完善，套用領域正在不斷地開拓，已遍及國民經濟各種部門，並開始逐步深入人們的日常生活。經近10年我國測繪等部門的使用表明，GPS以全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，贏得廣大測繪工作者的信賴，並成功地套用於大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導航和管制、地殼運動監測、工程變形監測、資源勘察、地球動力學等多種學科，從而給測繪領域帶來一場深刻的技術革命。
美國GPS
前身
GPS(又稱全球衛星導航系統或全球衛星定位系統)系統的前身為美軍研製的一種子午儀衛星定位系統(Transit），1958年研製，1964年正式投入使用。該系統用5到6顆衛星組成的星網工作，每天最多繞過地球13次，並且無法給出高度信息，在定位精度方面也不盡如人意。然而，子午儀系統使得研發部門對衛星定位取得了初步的經驗，並驗證了由衛星系統進行定位的可行性，為GPS系統的研製埋下了鋪墊。
由於衛星定位顯示出在導航方面的巨大優越性及子午儀系統存在對潛艇和艦船導航方面的巨大缺陷。美國海陸空三軍及民用部門都感到迫切需要一種新的衛星導航系統。為此,美國海軍研究實驗室(NRL)提出了名為Tinmation的用12到18顆衛星組成10000km高度的全球定位網計畫，並於67年、69年和74年各發射了一顆試驗衛星，在這些衛星上初步試驗了原子鐘計時系統，這是GPS系統精確定位的基礎。
而美國空軍則提出了621-B的以每星群4到5顆衛星組成3至4個星群的計畫，這些衛星中除1顆採用同步軌道外其餘的都使用周期為24h的傾斜軌道該計畫以偽隨機碼(PRN)為基礎傳播衛星測距信號，其強大的功能，當信號密度低於環境噪聲的1%時也能將其檢測出來。偽隨機碼的成功運用是GPS系統得以取得成功的一個重要基礎。
海軍的計畫主要用於為艦船提供低動態的2維定位，空軍的計畫能供提供高動態服務，然而系統過於複雜。由於同時研製兩個系統會造成巨大的費用，而且這裡兩個計畫都是為了提供全球定位而設計的，所以1973年美國國防部將2者合二為一，並由國防部牽頭的衛星導航定位聯合計畫局（JPO)領導，還將辦事機構設立在洛杉磯的空軍航天處。該機構成員眾多，包括美國陸軍、海軍、海軍陸戰隊、交通部、國防製圖局、北約和澳大利亞的代表。
計畫
最初的GPS計畫在聯合計畫局的領導下誕生了，該方案將24顆衛星放置在互成120度的三個軌道上。每個軌道上有8顆衛星，地球上任何一點均能觀測到6至9顆衛星。這樣，粗碼精度可達100m，精碼精度為10m。由於預算壓縮，GPS計畫不得不減少衛星發射數量，改為將18顆衛星分布在互成60度的6個軌道上。然而這一方案使得衛星可靠性得不到保障。1988年又進行了最後一次修改：21顆工作星和3顆備份星工作在互成30度的6條軌道上。這也是GPS衛星所使用的工作方式。
計畫實施
GPS計畫的實施共分三個階段：
第一階段為方案論證和初步設計階段。
從1978年到1979年，由位於加利福尼亞的范登堡空軍基地採用雙子座火箭發射4顆試驗衛星，衛星運行軌道長半軸為26560km，傾角64度。軌道高度20000km。這一階段主要研製了地面接收機及建立地面跟蹤網，結果令人滿意。
第二階段為全面研製和試驗階段。
從1979年到1984年，又陸續發射了7顆稱為BLOCKI的試驗衛星，研製了各種用途的接收機。實驗表明，GPS定位精度遠遠超過設計標準，利用粗碼定位，其精度就可達14米。
第三階段為實用組網階段。
1989年2月4日第一顆GPS工作衛星發射成功，這一階段的衛星稱為BLOCKII和BLOCKIIA。此階段宣告GPS系統進入工程建設狀態。1993年底使用的GPS網即（21+3）GPS星座已經建成，今後將根據計畫更換失效的衛星。
GPS衛星
GPS衛星是由洛克菲爾國際公司空間部研製的，衛星重774kg，使用壽命為7年。衛星採用蜂窩結構，主體呈柱形，直徑為1.5m。衛星兩側裝有兩塊雙葉對日定向太陽能電池帆板(BLOCKI)，全長5.33m接受日光面積為7.2m2。
對日定向系統控制兩翼電池帆板旋轉，使板面始終對準太陽，為衛星不斷提供電力，並給三組15Ah鎘鎳電池充電，以保證衛星在地球陰影部分能正常工作。在星體底部裝有12個單元的多波束定向天線，能發射張角大約為30度的兩個L波段（19cm和24cm波）的信號。在星體的兩端面上裝有全向遙測遙控天線，用於與地面監控網的通信。此外衛星還裝有姿態控制系統和軌道控制系統，以便使衛星保持在適當的高度和角度，準確對準衛星的可見地面。
由GPS系統的工作原理可知，星載時鐘的精確度越高，其定位精度也越高。早期試驗型衛星採用由霍普金斯大學研製的石英振盪器，相對頻率穩定度為10−11/秒。誤差為14米。1974年以後，gps衛星採用銣原子鐘，相對頻率穩定度達到10−12/秒，誤差8m。1977年，BOKCKII型採用了馬斯頻率和時間系統公司研製的銫原子鐘後相對穩定頻率達到10−13/秒,誤差則降為2.9m。1981年，休斯公司研製的相對穩定頻率為10−14/秒的氫原子鐘使BLOCKIIR型衛星誤差僅為1m。
GPS功能
3.勘探測繪：野外勘探及城區規劃中都有用到
導航
1.武器導航：精確制導飛彈、巡航飛彈
2.車輛導航：車輛調度、監控系統
3.船舶導航：遠洋導航、港口/內河引水
4.飛機導航：航線導航、進場著陸控制
5.星際導航：衛星軌道定位
定位
車輛防盜系統
手機，PDA，PPC等通信移動設備防盜，電子地圖，定位系統
兒童及特殊人群的防走失系統
精準農業：農機具導航、自動駕駛，土地高精度平整
