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一、系統綜述
1．GPS基本概念
全球定位系統（Globa Positioning System-GPS）是美國從上世紀70年代開始研制的新一代衛星導航與定位系統，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成。該系統利用導航衛星進行測時和測距，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力。GPS是繼阿波羅登月計劃、航天飛機后的美國第三大航天工程，如今，它已成為當今世界上最實用，也是應用最廣泛的全球精密導航、指揮和調度系統。
2．GPS結構組成
GPS系統主要包括有三大組成部分：即空間星座部分、地面監控部分和用戶設備部分。
(1) 空間星座部分
由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成GPS衛星星座，亦即（21+3）GPS星座。24顆衛星均勻分布在6個軌道平面內，軌道平面相對于赤道平面的傾角為55度，各個軌道平面之間交角60度。每個軌道平面內的各衛星之間的交角90度，任一軌道平面上的衛星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛星超前30度。
在兩萬公里高空的GPS衛星，當地球相對于恒星自轉一周時，它們繞地球運行二周，即繞地球一周的時間為12恒星時。這樣，對于地面觀測者來說，每天將提前4分鐘見到同一顆GPS衛星。每顆衛星每天約有5個小時在地平線以上，同時位于地平線以上的衛星數量隨著時間和地點的不同而不同，最少可見到4顆，最多可見到11顆。在用GPS信號導航定位時，為了計算觀測站的三維坐標，必須觀測4顆 GPS衛星，稱為定位星座。這4顆衛星在觀測過程中的幾何位置分布對定位精度有一定的影響。對于某地某時，甚至不能測得精確的點位坐標，這種時間段叫做"間隙段"。但這種時間間隙段是很短暫的，并不影響全球絕大多數地方的全天候、高精度、連續實時的導航定位測量。GPS工作衛星的編號和試驗衛星基本相同。
(2) 地面監控部分
GPS工作衛星的地面監控系統目前主要由分布在全球的一個主控站、三個信息注入站和五個監測站組成。對于導航定位來說，GPS衛星是一動態已知點。星的位置是依據衛星發射的星歷，即描述衛星運動及其軌道的參數算得的。每顆GPS衛星所播發的星歷，是由地面監控系統提供的。衛星上的各種設備是否正常工作，以及衛星是否一直沿著預定軌道運行，都要由地面設備進行監測和控制。
地面監控系統另一重要作用是保持各顆衛星處于同一時間標準--GPS時間系統。這就需要地面站監測各顆衛星的時間，求出時鐘差。然后由地面注入站發給衛星，衛星再由導航電文發給用戶設備。GPS的空間部分和地面監控部分是用戶廣泛應用該系統進行導航和定位的基礎，均為美國所控制。
(3) 用戶設備部分
GPS 信號接收機的任務是：能夠捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號，并跟蹤這些衛星的運行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛星所發送的導航電文，實時地計算出觀測站的三維位置，甚至三維速度和時間，最終實現利用GPS進行導航和定位的目的。
靜態定位時，GPS接收機在捕獲和跟蹤GPS衛星的過程中固定不變，接收機高精度地測量GPS信號的傳播時間，利用GPS衛星在軌的已知位置，解算出接收機天線所在位置的三維坐標；而動態定位則是用GPS接收機測定一個運動物體的運行軌跡。裝載GPS信號接收機的運動物體叫做載體（如航行中的船艦，空中的飛機，行駛的車輛等）。載體上的GPS接收機天線在跟蹤GPS衛星的過程中相對地球而運動，接收機用GPS信號實時地測得運動載體的狀態參數（瞬間三維位置和三維速度）。
接收機硬件和機內軟件以及GPS數據的后處理軟件包，構成完整的GPS用戶設備。GPS接收機的結構分為天線單元和接收單元兩大部分。對于觀測地型接收機來說，兩個單元一般分成兩個獨立的部件，觀測時將天線單元安置在觀測站上，接收單元置于觀測站附近的適當地方，用電纜線將兩者連接成一個整機。也有的將天線單元和接收單元制作成一個整體，觀測時將其安置在測站點上。
GPS接收機一般用蓄電池供電。同時采用機內/機外兩種直流電源。設置機內電池的目的在于更換外電池時不中斷連續觀測。在用機外電池的過程中，機內電池自動充電。關機后，機內電池為RAM存儲器供電，以防止丟失數據。
近幾年，國內引進了許多種類型的GPS測地型接收機。各種類型的GPS測地型接收機用于精密相對定位時，其雙頻接收機精度可達5mm+1PPM.D，單頻接收機在一定距離內精度可達10mm+2PPM.D。用于差分定位其精度可達亞米級甚至厘米級。
目前，各種類型的GPS接收機體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測。GPS和GLONASS 兼容的全球導航定位系統接收機已經問世。
3．GPS定位原理
GPS系統采用高軌測距體制，以觀測站至GPS衛星之間的距離作為基本觀測量。為了獲得距離觀測量，主要采用兩種方法：一是測量GPS衛星發射的測距碼信號到達用戶接收機的傳播時間，即偽距測量；一是測量具有載波多普勒頻移的GPS衛星載波信號與接收機產生的參考載波信號之間的相位差，即載波相位測量。采用偽距觀測量定位速度最快，而采用載波相位觀測量定位精度最高。通過對4顆或4顆以上的衛星同時進行偽距或相位的測量即可推算出接收機的三維位置。
按定位方式，GPS定位分為單點定位和相對定位（差分定位）。單點定位就是根據一臺接收機的觀測數據來確定接收機位置的方式，它只能采用偽距觀測量。相對定位（差分定位）是根據兩臺以上接收機的觀測數據來確定觀測點之間的相對位置的方法，它既可采用偽距觀測量也可采用相位觀測量。
在定位觀測時，GPS定位分為動態定位和靜態定位。若接收機相對于地球表面運動，則稱為動態定位。若接收機相對于地球表面靜止，則稱為靜態定位。
二、GPS主要特點
GPS的問世標志著電子導航技術發展到了一個更加輝煌的時代。GPS系統與其他導航系統相比，主要特點有如下六個方面：
1．定位精度高
應用實踐已經證明，GPS相對定位精度在50km以內可達10-6，100～500km可達10-7，1000km可達10-9。此外，GPS可為各類用戶連續地提供高精度的三維位置、三維速度和時間信息。
2．觀測時間短
隨著GPS系統的不斷完善，軟件的不斷更新，目前，20km以內相對靜態定位，僅需15～20分鐘；快速靜態相對定位測量時，當每個流動站與基準站相距在15km以內時，流動站觀測時間只需1～2分鐘，然后可隨時定位，每站觀測只需幾秒鐘。實時定位速度快。目前GPS接收機的一次定位和測速工作在一秒甚至更小的時間內便可完成，這對高動態用戶來講尤其重要。
3．執行操作簡便
隨著GPS接收機不斷改進，自動化程度越來越高，有的已達"傻瓜化"的程度；接收機的體積越來越小，重量越來越輕，極大地減輕了測量工作者的工作緊張程度和勞動強度，使野外工作變得輕松愉快。
4．全球全天候作業
由于GPS衛星數目較多且分布合理，所以在地球上任何地點均可連續同時觀測到至少4顆衛星，從而保障了全球、全天候連續實時導航與定位的需要。目前GPS觀測可在一天24小時內的任何時間進行，不受陰天黑夜、起霧刮風、下雨下雪等氣候的影響。
5．功能多、多用途
GPS系統不僅可用于測量、導航，還可用于測速、測時。測速的精度可達0.1m/s，測時的精度可達幾十毫微秒。其應用領域不斷擴大。
6．抗干擾性能好、保密性強
由于GPS系統采用了偽碼擴頻技術，因而GPS衛星所發送的信號具有良好的抗干擾性和保密性。
三、GPS目前應用狀況
GPS系統的建立給導航和定位技術帶來了巨大的變化，它從根本上解決了人類在地球上的導航和定位問題，可以滿足不同用戶的需要。用GPS信號可以進行海、空和陸地的導航，導彈的制導，大地測量和工程測量的精密定位，時間的傳遞和速度的測量等。對于測繪領域，GPS衛星定位技術已經用于建立高精度的全國性的大地測量控制網，測定全球性的地球動態參數；用于建立陸地海洋大地測量基準，進行高精度的海島陸地聯測以及海洋測繪；用于監測地球板塊運動狀態和地殼形變；用于工程測量，成為建立城市與工程控制網的主要手段；用于測定航空航天攝影瞬間的相機位置，實現僅有少量地面控制或無地面控制的航測快速成圖，導致地理信息系統、全球環境遙感監測的技術革命。
總之，GPS技術已發展成多領域（陸地、海洋、航空航天），多模式（GPS、DGPS、LADGPS、WADGPS等），多用途（在途導航、精密定位、精確定時、衛星定軌、災害監測、資源調查、工程建設、市政規劃、海洋開發、交通管制等），多機型（測地型、定時型、手持型、集成型、車載式、船載式、機載式、星載式、彈載式等）高新技術國際性產業。GPS的應用領域，上至航空航天器，下至捕魚、導游和農業生產，已經無所不在了，正如人們所說的"今后GPS的應用，將只受人類想象力的制約"。
四、GPS發展趨勢與創新思路
1991年的海灣戰爭中，裝在上衣口袋里的GPS接收機為無地圖沙漠作戰發揮了巨大作用。在"盟軍行動"中，把慣導/GPS集成系統裝入導彈和制導導彈，使命中精度達到9m，而且使機載炸彈具備了在夜間和惡劣天氣條件下的精確打擊能力。由此可見，GPS早已成為高技術武器平臺不可缺少的關鍵組成部分。
在新世紀以及未來軍事戰爭中GPS將發揮更加巨大的作用。在這樣的形勢下， GPS技術不得不有新的突破。經過不懈的努力鉆研，如今已經取得些成績而呈現出以下的技術發展趨勢：
1．采用創新軌道設計
歐洲多年來從未中斷對導航定位衛星的研究、論證。在第一代中，有"全球導航衛星系統"（GNSS）以及"歐洲靜止軌道導航重疊業務系統"（EGNOS）等，它們都是結合利用GPS和靜止軌道通信衛星的方案。在第二代中，目前采用創新軌道設計的"伽利略"方案被認為是能夠實現最少投入而達到理想應用目的的最佳方案。它既是獨立系統，又有開放性特點，可與GPS兼容。這種系統還將在民航選擇最佳航線、飛機安全進場著陸等領域有新的應用突破。
2．大力開發抗干擾和干擾技術
GPS集成到高技術武器平臺，使GPS應用概念發生全新變化。
為防止地方干擾，美國將在2005年發射的第7顆GPS-2F衛星上開始使用新型信號結構。這樣，除更加保密外，還可實現6dB的信號/干擾比的改善。為此，正在研制不受干擾和欺騙的GPS接收機應用模塊（GRAM）和選擇利用抗欺騙模塊（SAASM），同時裝有這兩種模塊的接收機被稱為"國防部高級GPS接收機"（DARG）。
美國還在開發抗干擾的軍事偽系統（Millitary Pseudolites），它可為地域發射GPS差分信號，以改進信號捕獲并提高質量。為保護軍用飛機使用GPS，美國還在開發微帶自適應天線陣。
為使敵方不能使用GPS，美國已開發出GPS干擾機，只有可口可樂瓶大小的干擾機可使敵方無法接收GPS信號。
3．提高GPS導航信號性能的技術措施
目前使用的模擬銫鐘，其性能預測困難，而且輸出頻率會隨著衛星運行過程溫度和磁場變化而變化，因此正在開發計算機控制的數字化銫鐘，通過調整內部參數和補償環境影響使銫鐘性能達到最佳化。
五、GPS應用前景廣闊
進入21世紀，GPS在各方面的應用都將加強和發展。本文對GPS走向21世紀時的最新發展情況有選擇地作一介紹。
1．GPS在綜合服務系統中的應用
在全球地基GPS連續運行站（約200個）的基礎上所組成的IGS（International GPS），是GPS連續運行站網和綜合服務系統的范例。它無償向全球用戶提供GPS各種信息，如GPS精密星歷、快速星歷、預報星歷、IGS站坐標及其運動速率、IGS站所接收的GPS信號的相位和偽距數據、地球自轉速率等。這些信息在大地測量和地球動力學方面支持了無數的科學項目，包括電離層、氣象、參考框架、精密時間傳遞、高分辨的推算地球自轉速率及其變化、地殼運動等。
2．GPS在電離層監測中的應用
GPS在監測電離層方面的應用，也是GPS空間氣象學的開端。太空中充滿了等離子體、宇宙射線粒子、各種波段的電磁輻射，由于太陽常在1秒鐘內拋出百萬噸量級的帶電物，電離層由此而受到強烈的干擾，這是空間氣象學研究的一個對象。通過測定電離層對GPS信號的延遲來確定在單位體積內總自由電子含量（TEC），以建立全球的電離層數字模型。
3．GPS在對流層監測中的應用
GPS在監測對流層方面的應用，早期主要是由于軌道誤差影響定位精度，而且早期的GPS基線相對來說比較短，高差（亦稱"比高"，即兩點間的高度差）不大，因此對對流層的研究沒有給予很大的重視。直到近期由于GPS軌道精度大大提高后，當對流層折射已經成為限制GPS定位精度提高的一個重要障礙時，才開始認真的對對流層的監測研究。我們可以假設在一個高程（亦即"海拔"，一般指由平均海平面算起的地面點高度），基本為零的地區，并且如果接收機所接收的GPS信號是從天頂方向傳來的話，那么其延遲就可以達到2.2～2.6m這一量級，而2小時內這一延遲變化可達10cm并不少見（所以IGS分析中心所提供的對流層參數是采用2小時間隔一次）。也正是由于這個實際情況，對流層折射要顧及其隨機過程的變化來加以模型化。
4．GPS在衛星測高儀中的應用
多路徑效應是GPS定位中的一種噪音，至今仍是高精度GPS定位中一個很不容易排除的"干擾"。過去幾年來利用大氣對GPS信號延遲的噪聲發展了GPS大氣學，目前也正在利用GPS定位中的多路徑效應發展GPS測高技術，即利用空載GPS作為測高儀進行測高。它是通過利用海面或冰面所反射的GPS信號，求定海面或冰面地形，測定波浪形態，洋流速度和方向。通常衛星測高或空載測高所測的是一個點，連續測量結果在反向面上是一個截面，而GPS測高則是測量有一定寬度的帶，因此可以測定反射表面的起伏（地形）。據報道，試驗時空載平面安裝2臺GPS接收機，1臺天線向上用于對載體的定位，1臺天線向下，用于接收GPS在反射面上的信號。
5．GPS在衛星追蹤技術中的應用
衛星對衛星的追蹤（SST）技術的實質是以高分辨率測定兩顆衛星間的距離變化，一般它分為兩類，即高低衛星追蹤和低低衛星追蹤。前一類是高軌衛星（如對地靜止衛星，GPS衛星等）追蹤低軌（LEO）衛星或空間飛行器，后一類是處于大體為同一低軌道上的兩顆衛星之間的追蹤，兩顆衛星間可以相距數百千米，這兩類SST技術都將LEO衛星作為地球重力場的傳感器，以衛星間單向或雙向的微波測距系統測定衛星間的相對速度及其變率。這一速度的不規則變化所產生的信息中，就包含了地球重力場信息。衛星軌道愈低，這一速度變化受重力場的影響愈明顯，所反映重力場的分辨率也愈高。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號