全球定位系统(Global Positioning System，GPS)是一种以人造地球卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统，它在全球任何地方以及近地空间都能够提供准确的地理位置、车行速度及精确的时间信息。GPS自问世以来，就以其高精度、全天候、全球覆盖、方便灵活吸引了众多用户。GPS不仅是汽车的守护神，同时也是物流行业管理的智多星。随着物流业的快速发展，GPS有着举足轻重的作用，成为继汽车市场后的第二大主要消费群体。GPS是美国从20世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位功能的新一代卫星导航与定位系统
概述
GPS是美国从20世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位功能的新一代卫星导航与定位系统。经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得了广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科中，从而给测绘领域带来了一场深刻的技术革命 [1] 。
GPS是美国第二代卫星导航系统。它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。按目前的方案，GPS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。24颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在6个轨道面上（每轨道面4颗），轨道倾角为55度。卫星的分布使得在全球任何地方、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形。这就提供了在时间上连续的全球导航能力 [1] 。
GPS主要由三大组成部分：空间部分、地面监控部分和用户设备部分。GPS系统具有高精度、全天候、用广泛等特点 [1] 。
20世纪70年代，美国国防部为了给陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并进行情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，开始研制“导航卫星定时和测距全球定位系统”，简称全球定位系统。1973年，美国国防部开始设计、试验。1989年2月4日，第一颗GPS卫星发射成功，到1993年底建成了实用的GPS网，即（21+3GPS）星座，并开始投入商业运营。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座已经布设完成 [2] 。
GPS是指利用GPS卫星，向全球各地全天候、实时性地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统。GPS的前身是1958年美国军方研制的一种子午仪( Transit)卫星定位系统，1964年正式投入使用，该系统用5-6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13圈，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，子午仪卫星定位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，这就为GPS的研制做了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性以及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷，美国陆、海、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 [3] 。
20世纪70年代，陆、海、空三军联合研制了新一代全球定位系统，GPS主要目的是为陆、海、空三军提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报搜集、核爆炸监测和应急通信等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座已布设完成。GPS已经经历了第一代和第二代，现在已升级到第三代，以保持其在导航定位系统的霸主地位，从目前来看，GPS是全球范围内精度最高、覆盖范围最广的导航定位系统 [3] 。
最初的GPS计划是在美国联合计划局的领导下制定的，该方案将24颗卫星放置在互成1200的三个轨道上。每个轨道上有8颗卫星，地球上任何一点均能观测到6-9颗卫星。这样，粗码精度可达100m，精码精度为10m。由于预算的压缩，GPS计划不得不减少卫星发射数量，改为将18颗卫星分布在互成600的6个轨道上，然而这一方案保障不了卫星的可靠性。1988年又进行了最后一次修改：21颗工作卫星和3颗备用卫星工作在互成600的6个轨道上。这也是目前GPS卫星所使用的工作方式 [3] 。
定位原理
GPS定位包括伪距单点定位、载波相位定位和实时差分定位 [2] 。
1．伪距测量及伪距单点定位
伪距测量就是测定卫星到接收机的距离，即由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得的距离。伪距法单点定位，就是利用GPS接收机在某一时刻测定与4颗以上GPS卫星的伪距，及从卫星导航电文中获得的卫星瞬时坐标，采用距离交会法求出天线在WGS-84坐标系中的三维坐标 [2] 。
2．载波相位测量及载波相位定位
载波相位测量是测定GPS卫星载波信号到接收机天线之间的相位延迟。GPS卫星载波上调制了测距码和导航电文，接收机接收到卫星信号后，先将载波上的测距码和卫星电文去掉，重新获得载波，称为重建载波。GPS接收机将卫星重建载波与接收机内由振荡器产生的本振信号通过相位计比相，即可得到相位差 [2] 。
3．实时差分定位
GPS实时差分定位的原理是在已有的精确地心坐标点上安放GPS接收机（称为基准站），利用已知的地心坐标和星历计算GPS观测值的校正值，并通过无线电通信设备（称为数据链）将校正值发送给运动中的GPS接收机（称为流动站）。流动站利用校正值对自己的GPS观测值进行修正，以消除上述误差，从而提高实时定位精度。GPS动态差分方法有多种，主要有位置差分、伪距差分( RTD)、载波相位实时差分(RTK)和广域差分等 [2] 。
GPS
GPS属于被动式卫星导航系统，在被动式测距系统中，用户天线只需要接收来自这些卫星的导航定位信号，从而就可测得用户天线至卫星的距离或距离差。这种发送测距信号和接收测距信号分别位居两个不同地方的测距方式，称为被动测距。用它所测得的站星距离，并利用已知的卫星在轨位置，可推算出用户天线的三维位置。这种基于被动测距原理的定位，称为被动定位。如果发送设备所发射的测距信号经过反射器的反射或转发，又返回到发送点，为其接收设备所接收，进而测得测距信号所经历的距离。这种发送和接收测距信号位于同一个地方的测距原理，称为主动测距。用它所测得的站星距离和已知的卫星在轨位置，也可推算出用户现时的三维位置。这种基于主动测距原理的定位，称为主动定位 [4] 。
GPS全球定位系统采用多星高轨测距体制，以距离作为基本观测量，通过对4颗卫星同时进行伪距测量，即可推算出接收机的位置。由于测距可在极短的时间内完成，即定位是在极短的时间内完成的，故可用于动态用户 [4] 。
现代测距实质上是使用无线电信号测量其传播时间来推算距离。可以测量往返传播延迟，也可以测量单程传播延迟。往返传播测距即主动测距，要求卫星与用户均具备收发能力。对用户来说，这不仅大大增加了仪器的复杂程度，而且从隐蔽性来看也是十分不利的，因为发射信号易造成暴露。单程测距（即被动测距）则在很大程度上避免了上述的缺点。但单程测距要求卫星与用户接收机的时钟同步。如果两个时钟不同步，那么在所测量的传播延时时间中，除了因卫星至用户接收机之间距离所引起的传播延迟之外，还包含了两个时钟的钟差。要达到卫星与用户时钟同步，在实际工作中很难做到，但可通过适当方法解决 [4] 。
在有噪声干扰的情况下，综合考虑测距精度、信号带宽、所需功率及不同卫星识别等问题，全球定位系统采用了伪随机码测距技术。伪随机码又称为伪噪声码，是一种可以预先确定并可以重复地产生和复制，又具有随机统计特性的二进制码序列。在深空通信场合，利用伪随机编码信号可以实现低信噪比接收，大大改善了通信的可靠性，且可实现码分多址通信。此外，利用伪随机编码信号可以实现高性能的保密通信。这些特点正符合GPS系统的技术要求 [4] 。
根据信号检测理论的普遍结果，在噪声为具有均匀功率谱的白噪声条件下，测距的最佳接收机是一个相关接收机。这种接收方式是用发射信号的复制信号（称为本地信号）和所接收到的信号与噪声之和进行相关计算，然后通过测量相关函数的最大值的位置来确定目标的距离。从相关接收的方式来看，要求测距信号具有类似白噪声的自相关特性。伪随机码测距技术就是这一思想的体现 [4] 。
用伪随机码测定信号传播延迟，需检测相关输出的极大值。这只能靠逐码位地移动本地码进行检测。考虑到检测是在积分器进行积分之后进行的，积分时间又不宜太短，这样检测到最大相关输出就要花费一定的时间，即需要一定的捕获时间。在事先不知道待测距离及站钟钟差的情况下，码越长，所需要的捕获时间就越长。为了缩短捕获时间，GPS卫星还播发一种短码，即C/A码，也称租码。由于C/A码是采用两个具有良好互相关特性的同码序列构成的戈尔德码族，与P码保持同步，所以在捕获C/A码后，可以很方便地捕获P码 [4] 。
全球定位系统由以下三个部分组成：空间部分(GPS卫星)、地面监控部分和用户部分。GPS卫星可连续向用户播发用于进行导航定位的测距信号和导航电文，并接收来自地面监控系统的各种信息和命令以维持系统的正常运转。地面监控系统的主要功能是：跟踪GPS卫星，对其进行距离测量，确定卫星的运行轨道及卫星钟改正数，进行预报后，再按规定格式编制成导航电文，并通过注入站送往卫星。地面监控系统还能通过注入站向卫星发布各种指令，调整卫星的轨道及时钟读数，修复故障或启用备用件等。用户则用GPS接收机来测定从接收机至GPS卫星的距离，并根据卫星星历所给出的观测瞬间卫星在空间的位置等信息求出自己的三维位置、三维运动速度和钟差等参数。目前,美国正致力于进一步改善整个系统的功能，如通过卫星间的相互跟踪来确定卫星轨道，以减少对地面监控系统的依赖程度，增强系统的自主性。
GPS卫星
GPS卫星的主体呈圆柱形，两侧有太阳能帆板，能自动对日定向。太阳能电池为卫星提供工作用电。每颗卫星都配备有多台原子钟，可为卫星提供高精度的时间标准。卫星上带有燃料和喷管，可在地面控制系统的控制下调整自己的运行轨道。GPS卫星的基本功能是：接收并存储来自地面控制系统的导航电文；在原子钟的控制下自动生成测距码和载波；并将测距码和导航电文调制在载波上播发给用户；按照地面控制系统的命令调整轨道，调整卫星钟，修复故障或启用备用件以维护整个系统的正常工作。不同型号的卫星的外形也各不相同 [5] 。
GPS卫星可分为试验卫星和工作卫星两类。各种类型的基本特征如下：
(1)试验卫星
试验卫星也称原型卫星。卫星重774kg(包括310kg的燃料)，设计寿命为5年。为满足方案论证和整个系统试验、改进的需要,美国1978-1985年间从加利福尼亚州的范登堡空军基地用 Atlas火箭先后发射了11颗试验卫星。其中第7颗卫星发射失败，未进入预定轨道。1995年底，最后一颗试验卫星停止工作 [5] 。
(2)工作卫星
BlockⅡ卫星重约1.5t，设计寿命为7.5年。每颗卫星耗资4800万美元。1989年2月至190年10月间，从佛罗里达州的肯纳维拉尔空间基地用 DeltaⅡ火箭发射了9颗 BlockⅡ卫星。与试验卫星相比，BlockⅡ卫星作了许多改进，卫星可存储14天的导航电文，并具有实施SA和AS的能力。BlockⅡA卫星(A：Advanced)重约17t，卫星设计寿命为7.5年，卫星具备互相通信的能力。卫星存储导航电文的能力增加至180天。SVN35和SVN36卫星上配备了激光反射棱镜,可以通过激光测距来分析卫星钟和卫星星历的误差,检验GPS测距的精度。反射棱镜的大小为24cm×20cm [5] 。
地面监控部分是由分布在世界各地的五个地面站组成，按功能可分为监测站、主控站和注入站三种。监测站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、气象参数测试仪和计算机等设备，主要任务是完成对GPS卫星信号的连续观测，并将搜集的数据和当地气象观测资料经过处理后传送到主控站。主控站除了协调管理地面监控系统外，还负责将监测站的观测资料联合处理，推算卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将这些数据编制成导航电文送到注入站；另外，它还可以调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行，调度备用卫星，以替代失效的卫星开展工作。注入站的主要任务是将主控站编制的导航电文、计算出的卫星星历和卫星钟差的改正数等，通过直径为3.6m的天线注入相应的卫星 [6] 。
用户设备主要由GPS接收机、硬件和数据处理软件、微处理机及终端设备组成；GPS接收机由主机、天线和电源组成。其主要任务是捕获、跟踪并锁定卫星信号；对接收的卫星信号进行处理，测量出GPS信号从卫星到接收机天线间传播的时间；译出GPS卫星发射的导航电文，实时计算接收机天线的三维位置、速度和时间 [6] 。
GPS是目前成用最为成功的卫星定位系统，被誉为人类定位技术的一个里程碑。归纳起来，系统具有以下特点 [7] ：
(1)全球，全天候连续不断的导航定位能力。GPS能为全球任何地点或近地空间的各类用户提供连续的、全天候的导航定位能力，用户不用发射信号，因而能满足多用户使用 [7] 。
(2)实时导航，定位精度高，观测时间短。利用GPS定位时，在1s内可以取得几次位置数据，这种近乎实时的导航能力对于高动态用户具有很大的意义，同时能为用户提供连续的三维位置、三维速度和精确的时间信息。目前利用C/A码的实时定位精度可达20-50m，速度精度为0.1m/s，利用特殊处理可达0.005m/s，相对定位精度可达毫米级 [7] 。
随着GPS系统的不断完善和软件的不断更新，目前20km以内相对静态定位仅需15-20min，快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站观测时间只需1-2min，然后可随时定位，每站观测只需几秒 [7] 。
(3)测站无需通视：GPS测量只要求测站上空开阔，不要求测站之间互相通视，因此可节省大量的造标费用（一般造标费用占总经费的30%、50%）。由于无需点间通视，点位位置可根据需要可疏可密，这样就使得选点丁作变得非常灵活，也可省去经典测量中的传算点、过渡点的测量工作 [7] ，
(4)可提供全球统一的三维地心坐标：GPS测量可同时精确测定测站平面位置和大地高程。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度，另外，GPS定位是在全球统一的WGS-84坐标系统中计算的，刚此全球不同地点的测量成果是相互关联的 [7] 。
(5)仪器操作简便：随着GPS接收机的不断改进，GPS测量的自动化程度越来越高。在观测巾测量员只需安置仪器，连接电缆线，量取天线高，监视仪器的工作状态，而其他观测工作，如卫星的捕扶，跟踪观测和记录等均由仪器自动完成，结束测量时，仅需关闭电源，收好接收机，便完成了野外数据采集任务 [7] ，
如果往一个测站上需做长时间的连续观测，还可以通过数据通信方式将所采集的数据传送到数据处理中心，实现全自动化的数据采集与处理。另外，接收机的体积也越来越小，相应的重量也越来越轻，极大地减轻测量作者的劳动强度，使野外工作变得更为轻松 [7] 。
(6)抗干扰能力强、保密性好：GPS采用扩频技术和伪码技术，用户只需接收GPS信号，自身不会发射信号，出而不会受到外界其他信号源的干扰 [7] 。
(7)功能多、应用广泛：GPS是军、民两用系统，其应用范围十分广泛。具体的应用实例包括：汽车导航和交通管理、巡线车辆管理、道路工程、个人定位以及导航仪等 [7] 。
GPS接收机的主要功能是接收GPS卫星信号并经过信号放大、变频、锁相处理，测定GPS信号从卫星到接收机天线间的传播时间，解释导航电文，实时计算GPS天线所在位置（三维坐标）及运行速度等。GPS接收机是一种被动式无线电定位设备，按不同用途分为导航型接收机、测地型接收机、授时型接收机和姿态测量型接收机；按接收机通道数可以分为多通道接收机、序贯通道接收机和多路复用通道接收机 [6] 。
GPS接收机主要由GPS接收天线、GPS接收机主机和电源三部分组成 [6] 。
1．GPS接收机天线
GPS接收机天线由天线单元和前置放大器两部分组成。天线的作用是将GPS卫星信号的微弱电磁波能量转化为相应电流，并通过前置放大器将接收到的GPS信号放大 [6] 。
2．GPS接收机主机
接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存储器和显示器组成。变频器的主要任务是使接收到的L频段射频信号变成低频信号。信号通道是软硬件结合的电路，是接收机的核心部分，其作用是搜索、牵引并跟踪卫星，对广播电文信号进行解扩、解调成为广播电文，进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频移测量。存储器用于存储一小时一次的卫星星历、卫星历书、接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及多普勒频移。微处理器是GPS接收机工作的核心，GPS接收机的工作都是在微机指令的统一协同下进行的。GPS接收机都有液晶显示屏，以提供GPS接收机的工作信息，并配有一个控制键盘，以便用户控制接收机的工作 [6] 。
3．GPS接收机电源
GPS接收机电源有两种，一种为内电源，一般采用锂电池，主要对RAM存储器供电；另一种为外接电源，常用可充电的12V直流镍镉电池组 [6] 。
GPS接收机分类
GPS接收机按照不同的分类标准，可以分为不同类型 [8] 。
(1)按工作原理划分，可分为码相关型接收机、平方型接收机和混合型接收机。码相关型接收机能够产生与所测卫星测距码结构完全相同的复制码，利用的是C/A码或P码，条件是掌握测距码结构。平方型接收机利用载波信号的平方技术去掉调制码，获得载波相位测量所必需的载波信号，该机只利用卫星信号，无须解码，不必掌握测距码结构，又称无码接收机。混合型接收机综合利用了码相关技术和平方技术的优点，同时获得码相位和精密载波相位观测量，目前广泛使用 [8] 。
(2)根据接收机信号通道类型划分，可分为多通道接收机、序贯通道接收机及多路复用通道接收机。多通道接收机具有多个卫星信号通道，每个通道只连续跟踪一个卫星信号，也称连续跟踪型接收机。序贯通道接收机只有1-2个信号通道，为了跟踪多个卫星，在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测，依次量测一个循环所需时间较长（大于20 m/s），对卫星信号的跟踪是不连续的。多路复用通道接收机与序贯通道接收机相似，也只有1-2个信号通道，在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测，依次量测一个循环所需时间较短（小于20 m/s），可保持对卫星信号的连续跟踪 [8] 。
(3)根据所接收的卫星信号频率划分，可分为单频接收机和双频接收机。单频接收机( L1)只接收调制的L1信号，虽然可利用导航电文提供的参数，对观测量进行电离层影响修正，但由于修正模型尚不完善，精度较差，主要用于小于20 km的短基线精密定位。双频接收机( L1+L2)同时接受L1和L2两种信号，利用双频技术，可消除或减弱电离层折射对观测量的影响，定位精度较高。按信号频率对卫星信号进行划分是使用较多的类型 [8] 。
(4)按接收机用途划分，可分为导航型、测量型和授时型。导航型主要用于确定船舶、车辆、飞机等运载体的实时位置和速度，保障按预定路线航行或选择最佳路线，其采用测码伪距为观测量的单点实时定位或差分GPS定位，精度低，结构简单，价格便宜，应用广泛。测量型接收机采用载波相位观测量进行相对定位，精度高，观测数据可测后处理或实时处理( RTK)，需配备功能完善的数据处理软件，与导航型相比，结构复杂，价格昂贵。授时型接收机主要用于天文台或地面监控站，进行时频同步测定 [8] 。
接收机工作原理
天线的基本作用是把来自于卫星信号的能量转化为相应的电流，并经前置放大器进行频率变换，以便对信号进行跟踪、处理和量测 [8] 。
当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能，以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的i维位置，甚至三维速度和时间。GPS信号接收机不仅需要功能较强的机内软件，而且需要一个多功能的GPS数据测后处理软件包。接收机加处理软件包，才是完整的GPS信号用户设备 [8] 。
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