全球定位系统GPS简介

全球卫星定位系统GPS（Global Positioning System）是美军于20世纪70年代初期基于"子午仪卫星导航定位"技术发展而成的一种覆盖范围广、应用广泛型（适用于陆地、海洋、航空及航天领域）、全天候运行的导航定位、定时与测速系统。

GPS由三大子系统构成：空间卫星系统、地面监控系统、用户接收系统。

GPS的发展始于20世纪70年代末期 ，其全称是全球卫星定位系统 。该项目由美国国防部斥资120亿美元开发完成 ，最初设计目标主要用于军事领域 。该系统共计包含24颗导航卫星 ，每颗导航卫星的体积超过了一辆重型卡车 ，重量约达1900磅 。所有导航卫星均位于距地面约1.6万公里的地球同步轨道运行中 ，它们始终处于静止轨道上以确保连续覆盖全球范围 。该项目由洛克希德·马丁公司负责制造 ，并经由美国空军进行操作管理 。自五角大楼构想该系统以来的20年后 ，这一伟大的项目终于在1993年得以完成

与其它新技术相似，在进步的同时也存在一系列潜在的问题。然而历史的发展方向并非由任何单个个人或政府所能决定。尽管如此，在面对制造公司施加的压力时，在看到这一巨大的商业机会后，“选择性使用原则”的制定是为了平衡各方利益而采取了一项措施。“最高精度的信息仅限于军事目的使用”。目前而言，在民用领域中使用的是100英尺以内的精度定位；而仅限军事解码的是60英尺以内的位置信息。“为了防止误用风险起见”。目前而言，在民用领域中使用的是100英尺以内的精度定位；而仅限军事解码的是60英尺以内的位置信息。”

于1996年3月，在整个系统完成后的第三年。美国白宫宣布了一项旨在让公众都能使用更高精度GPS系统的政策。这一政策规定，在未来十年内逐步取消限制民用GPS信号使用的措施。与此同时，白宫再次强调了其承诺：向所有国家免费提供用于和平目的的全球定位系统服务。

在2000年, 美国禁止了对GPS民用卫星通信通道实施伪码信号干扰, 这种措施使得民用GPS设备达到了约6.2米的使用精度水平, 从而推动GPS技术和应用领域的快速发展。

自2002年至今,GPS的价格大幅下挫,过去三年间民用GPS的价格腰斩,用于连接电脑的GPS接收机多已降至1000元以下,而配备USB接口的产品则更低至不到500元。这一降价趋势降低了使用门槛,推动了GPS应用的发展速度加快。

越来越多的蓝牙接口型 GPS 接收机开始普及使用。它们不仅提升了便携设备的功能体验，在推动 GPS 应用方面发挥了不可替代的作用

要让GPS发挥作用，民用地理信息系统(GIS)的发展也推波助澜。

当GPS芯片价格降至4美元以下时，如今可预见的是多种设备将集成GPS技术，并推动IT领域的新一轮 GPS 应用热潮

数码相机一旦集成有GPS，在拍摄照片的时候就能实现精准定位拍摄地点。基于位置的计算如今已不再是一个未实现的目标，身处异乡的您也许就能通过手机或者笔记本电脑了解哪些MSN或QQ聊友就在身边。

空间卫星系统

空间卫星系统由6个均匀分布于不同赤道平面上的24颗高轨运行卫星构成；每个轨道面与赤道面均呈55度倾角；相邻轨道面间夹角达到60度；在同一轨道平面上的各卫星升交角间距为90度；同一轨道上运行的卫星相较于其西邻近轨道上的对应卫星快了30度；实际上该系统所需 satellites数量需超过24颗以确保及时更换损坏或老化 satellites从而保障正常运行；该 satellite 系统可在地球任何地点向使用者提供至少4颗以上的可见 satellites

各颗卫星以恒星时每隔12小时运行于高度相近的圆形轨道。这些高精度星载原子钟（基频F=10.23MHZ）负责调节无线电发射机，在"低噪音窗口"这一无线电频段中的最优区域实施L1和L2载波的发射。该系统持续向全球导航与定位系统发送精确的GPS导航信号。通过密集的组网结构确保全球范围内任何时间、任何地点都能持续监测至少4颗甚至多达11颗的工作卫星。

为了节省GPS 卫星运行所需的能量并增强其抗干扰能力以及保护数据安全的同时实现远距离卫星通信GPS 卫星采用了伪噪声编码对原始数据码D（t）进行了二级编码即首先将D（t）转换为伪噪声代码组合包括P 码和C/A 码随后将这些代码分别加载到L1 和L2载波上从而生成用于发送给用户的射电导航信号因此整个GPS系统传输使用的信号由两组载波L1 和L2以及两组伪噪声代码P 码与C/A 码构成其中P 码是一种精确度更高的参考编码仅限于美国军方政府机构及获得授权的民用用户使用而C/A 码则是一种较为粗略的标准编码其定位精度和时间精度均低于P 码目前全球范围内的民用用户均可免费使用这一服务

地面监控系统

该地面监控系统主要由部署在美国本土及三大洋美军基地上的五个实时监测点、一个集中协调中心以及三个数据注入节点组成。其主要职责包括实时跟踪与管理空间卫星系统，并定期向每颗运行中的卫星发送最新导航指令。各个组成部分的主要工作内容包括：

监测站

通过GPS接收系统测定每一颗卫星的伪距与距离差的同时对气象情况进行监测，并将观测所得的信息传递至主控中心。设有五个无人值守的数据采集中心分别位于各个监控站点。

主控站

主控站收集多个监测站的GPS卫星监控数据、卫星运行状态信息以及各监测站和注入站点的工作状况数据。基于这些信息对相关任务进行处理。

及时编算每颗卫星的导航电文并传送给注入站。

组织与调度相关监测站间的协作工作流程，并对所接收的导航数据进行完整性核对。同时确认导航数据是否已发送至相关接收终端。

根据诊断结果来执行相应的操作步骤；纠正轨道偏差并调整姿态；调换备用设备以替代故障部件

注入站

接受主控站送达的各卫星导航电文并将之注入飞越其上空的每颗卫星。

用户接收系统

用户接收系统主要由无线电传感器和计算机技术支撑的GPS卫星接收装置以及GPS数据处理软件系统构成

GPS接收机

GPS卫星接收机的主要构成包括天线单元与接收单元两个部分。天线单元的功能是：当GPS卫星从地平线上升起时能够捕获并追踪卫星，并对来自卫星的信号进行放大处理。接收单元则负责持续捕捉并处理来自卫星的信号，并通过解码与去噪处理恢复出由 GPS 卫星发送的导航信息；这一过程不仅能够实时获取定位数据还可以通过后续的数据处理来获得速度与定时信息。

微处理器是GPS接收机的核心主要功能单元负责执行管理控制以及实时数据的采集与处理工作视屏监控器则是接收机与操作者之间的信息交互过程的关键设备起到实时监控作用

如今国际市场上已有众多用于测量的GPS接收机 available. 各厂商在产品设计上纷纷注重实用性, 便携性, 操作简便, 并力求做到外观 attractive 且价格合理.

民用GPS可在1575.42MHz单一频点正常接收来自太空24颗GPS卫星发射出的C/A码 broadcasts. 在无遮蔽的理想开阔地 根据观测点位置参数（如纬度 经度 高程）以及观测时间的不同（即所谓的星历值不同） 最多可同时捕获8至12颗卫星的GPS定位信息. 当天空受到建筑 物体等遮挡时 无法同步捕获如此多颗数的卫星信号. 通常在城市内部仅能稳定接收4至8颗GPS卫星信号 而在高楼密集的城市天井区域则可能出现完全无法接收到任何 GPS 信号的情况.

当 GPS 接收机一旦同时捕获到来自 3 颗及以上卫星的 GPS 信号时（即完成信号捕获），该装置便能够准确识别并显示经纬度坐标（ddd.mm.ss, 度.分.秒）。通过电子地图配合定位信息（即地理位置），您即可清楚地了解自身所处的具体地点。一旦接收到 4 颗及以上卫星的 GPS 信号（即完成多星定位），该装置将能够测定海拔高度。当成功捕获到 5～7 颗卫星的 GPS 信号时（即多星测量状态），此时的位置精度通常可维持在约 6.2 米以内的误差范围内。每隔一秒更新一次 GPS 定位信息，在计算单位时间内定位坐标的变动变化情况（即动态变化数据），GPS 设备还可以推算出移动物体的速度数值。

也许您会好奇：为何必须接收到来自至少三颗 satellite 的信号才能实现定位呢？

GPS数据处理软件

GPS数据处理软件在GPS用户系统中扮演着关键角色。该软件的主要作用是对接收机收集到的数据进行初步整理与优化处理。经过一系列计算与分析后，在此基础上进一步计算平差值、转换坐标系并综合评估各项参数。最终确定了测站的空间位置参数以及相关动态特性指标包括坐标位置运动速度方向等关键要素的具体数值信息

GPS定位技术目前仍处于发展中是一项高新技术；数据处理技术正朝着更新换代的方向持续发展；各系列GPS接收机制造厂家各自开发出不同风格的软件产品。

GPS定位的基本方法

基于空间被动式测量原理的GPS定位方法是一种无需主动发射信号即可实现定位的技术。具体而言，在测站点上安装GPS接收机设备后，并通过多种手段或方式获取其接收的各类卫星信号信息；随后利用计算机对站间星机关系及测站点的空间坐标进行求解。

由对GPS信号观测量的不同，GPS定位的基本方法有以下几种形式：

伪距测量

载波相位测量

多普勒测量

卫星射电干涉测量

普通家庭中常用的家用GPS设备主要依靠基本的伪距测量技术。精密定位的专业型GPS设备并非只依赖单一的测量手段；相反地，则主要采用某一特定的方法，并结合其他辅助技术。

目前, 全球定位系统得到了军事与民用等多个领域的确切应用。基于待定点状态的GPS技术划分为静态定位与动态定位两大类。静态定位是指待定点位置在整个观测过程中保持稳定位置,例如在大地测量中运用的GPS技术。动态定位则指待定点位于移动载具上,其位置在观测过程中不断变化,例如船舶导航中的应用情况。就相对静止而言,静态相对定位于几毫米至几厘米范围内的精度;相对运动下的动态相对定位于几厘米至几米范围内的精度表现更为显著。从时间管理上划分,GPS信号处理可划分为实时处理与后续处理两种模式:实时处理指同时接收卫星信号并进行计算,以获取当前位置、速度及时间信息;后续处理则指将卫星信号记录于特定介质后返回室内统一进行数据运算。通常情况下,静态定位用户倾向于采用后续处理模式,而动态定位用户则选择采用实时或后续处理方案