全球卫星定位系统GPS(Global Positioning System)是美军70年代初在“子午仪卫星导航定位”技术上发展而起的具有全球性、全能性（陆地、海洋、航空与航天）、全天候性优势的导航定位、定时、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，始于上世纪70年代，字面意思即全球卫星定位系统。它是由美国国防部耗资120亿美元建成的军事系统，在其设计和诞生之初主要都是用于军事目的。整套系统由24颗Navstar卫星构成，而每颗Navstar卫星体积都超过了重型卡车，重约1900磅，它们一直处于11000英里高的地球同步轨道上围绕地球旋转。系统是由洛克威尔公司制造并由美国空军操纵，1993年也就是五角大楼构思GPS系统的20年后这个系统终于建成了。

和任何新技术一样，由于先进的GPS系统很有可能帮助恐怖分子、敌对势力，在进步的同时也带来了一系列的危机。然而历史的发展是决不会以某个个人或政府的意志为转移的。五角大楼受到制造公司的压力，他们瞄准了这个潜在的庞大市场，最后同意将GPS系统用于商业领域。但是，作为妥协，五角大楼制定了一个被称为选择性使用原则，即GPS系统中播出的最精确的信号将严格保留给军方和其他有权使用的用户。现在，GPS卫星发射两种信号：民用信号的精度达到100英尺以内，第二种信号只有军方才能解码，其精度在60英尺以内。五角大楼还保留了随时对民用信号加载误差从而使信号精度降低到300英尺的范围内的权利。

1996年3月，就在整个系统完成的3年后。白宫宣布每个人都将可以使用更高精度水平的GPS系统，降低民用GPS信号的做法将在十年内逐步取消。白宫还重申了政府对于为和平的民用、商业和科学事业提供全球范围免费的GPS系统服务所做出的承诺。

2000年美国取消了对GPS卫星民用信道的SA干扰信号，民用GPS的定位精度达到平均6.2米的实用化水平，从而掀起GPS产业和应用热潮。

自2002年以来，GPS的价格迅速下降，3年来民用GPS的价格已经折半，连接电脑使用的GPS接收机大多降到了1000元以下，USB接口的产品甚至降到了500元上下。价格门槛降低，为GPS应用发展提速。

蓝牙接口的GPS接收机日渐流行，使得笔记本电脑、PDA等计算设备连接GPS更加方便，也是GPS应用发展的重要因素。

要让GPS发挥作用，民用地理信息系统(GIS)的发展也推波助澜。

随着GPS芯片降到4美元以下，越来越多的笔记本电脑、掌上电脑、数码相机和智能手机都有望集成GPS功能，从而引发IT产品的新一轮GPS热潮。

数码相机如果集成了GPS，在拍摄照片的时候就可以精确记录拍摄地点。基于位置的计算将不再是梦想，远在他乡的你通过手机或者笔记本电脑或许就可以了解到哪些MSN或QQ聊友就在附近……

空间卫星系统

空间卫星系统由均匀分布在6个轨道平面上的24颗高轨道工作卫星构成，各轨道平面相对于赤道平面的倾角为55度，轨道平面间距60度。在每一轨道平面内，各卫星升交角距差90度，任一轨道上的卫星比西边相邻轨道上的相应卫星超前30度。事实上，空间卫星系统的卫星数量要超过24颗，以便及时更换老化或损坏的卫星，保障系统正常工作。该卫星系统能够保证在地球的任一地点向使用者提供4颗以上可视卫星。

空间系统的每颗卫星每12小时（恒星时）沿近圆形轨道绕地球一周，由星载高精度原子钟（基频F=10.23MHZ）控制无 线电发射机在“低噪音窗口”（无线电窗口中，2 至8区间的频区天线噪声最低的一段是空间遥测及射电干涉测量优先选用频段）附近发射L1、L2两种载波，向全球的用户接收系统连续地播发GPS导航信号。 GPS工作卫星组网保障全球任一时刻、任一地点都可对4颗以上的卫星进行观测（最多可达11颗），实现连续、实时地导航和定位。

GPS卫星向广大用户发送的导航电文是一种不归零的二进制数据码D（t），码率fd=50HZ。为了节省卫星的电 能、增强GPS信号的抗干扰性、保密性，实现遥远的卫星通讯，G PS卫星采用伪噪声码对D码作二级调制，即先将D码调制成伪噪声码（P码和C/A码），再将上述两噪声码调制在L1、L2两载波上，形成向用户发射的 GPS射电信号。因此，GPS信号包括两种载波（L1、L2）和 两种伪噪声码（P码、C/A码）。这四种GPS信号的频率皆源于10.23MHZ（星载原子钟的基频）的基准频率。基准频率与各信号频率之间存在一定的比 例。其中，P码为精确码，美国为了自身的利益，只供美国军方、政府机关以及得到美国政府批准的民用用户使用，C/A码为粗码，其定位和时间精度均低于P 码，目前，全世界的民用客户均可不受限制地免费使用。

地面监控系统

地面监控系统由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的5个监测站、一个主控站和三个注入站构成。该系统的功能是：对空间卫星系统进行监测、控制，并向每颗卫星注入更新的导航电文。地面监控系统各站的主要任务是：

监测站

用GPS接收系统测量每颗卫星的伪距和距离差，采集气象数据，并将观测数据传送给主控点。5个监控站均为无人守值的数据采集中心。

主控站

主控站接收各监测站的GPS卫星观测数据、卫星工作状态数据、各监测站和注入站自身的工作状态数据。根据上述各类数据，完成以下几项工作：

及时编算每颗卫星的导航电文并传送给注入站。

控制和协调监测站间、注入站间的工作，检验注入卫星的导航电文是否正确以及卫星是否将导航电文发给了GPS用户系统。

诊断卫星工作状态，改变偏离轨道的卫星位置及姿态，调整备用卫星取代失效卫星。

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以无线电传感和计算机技术支撑的GPS卫星接收机和GPS数据处理软件构成。

GPS接收机

GPS卫星接收机的基本结构是天线单元和接收单元两部分。天线单元的主要作用是：当GPS卫星从地平线上升起时，能捕获、 跟踪卫星，接收放大GPS信号。接收单元的主要作用是：记录GPS信号并对信号进行解调和滤波处理，还原出GPS卫星发送的导航电文，解求信号在站星间的 传播时间和载波相位差，实时地获得导航定位数据或采用测后处理的方式，获得定位、测速、定时等数据。

微处理器是GPS接收机的核心，承担整个系统的管理、控制和实时数据处理。视屏监控器是接收机与操作者进行人机交流的部件。

目前，国际上已推出几十种测量用GPS接收机，各厂商的产品朝着实用、轻便、易于操作、美观价廉的方向发展。

民用GPS可以在1575.42MHz的单一频点上免费接收来自太空24颗GPS卫星的广播信号(C/A码)。在没有遮挡的开阔地上，根据经纬度、海拔和 时间不同(即星历不同)，最多可以同时收到8～12颗卫星的GPS信号。如果天空被建筑物、树木等遮挡，就不能同时收到如此多的卫星信号。一般在大城市中 只能稳定收到4～8颗卫星的GPS信号，高楼林立的都市“天井”中甚至可能接收不到信号。

当 能够同时接收到来自3颗以上卫星的GPS信号时，GPS接收机就可以确定经纬度坐标(ddd.mm.ss, 度.分.秒)。结合电子地图，您就可以知道自己身处何方了。如果能接收到4颗以上卫星的GPS信号,GPS接收机可以测算出海拔高度。当能够接收5～7颗 星，误差范围一般情况可以达到6.2m左右。GPS定位信息一般每秒钟更新一次，通过计算单位时间内GPS定位坐标的变化，GPS还可以计算运动速度。

您也许要问，为什么要接收到3颗以上卫星信号才能定位？因为信号传播速度相对稳定，GPS接收机通过判断卫星信号从发出到接收到所需要的传播时间就可以判 断距离卫星的距离。GPS接收机通过比较到不同卫星的距离就能判断自己的位置，能收到的卫星越多当然精度也就越高。说来简单，其实非常复杂。为了定位准 确，每颗GPS卫星上都有2台原子钟，而GPS接收机需要从GPS信号中获取精确的时钟信息才能准确定位。

GPS数据处理软件

GPS数据处理软件是GPS用户系统的重要部分，其主要功能是对GPS接收机获取的卫星测量记录数据进行“粗加工”、“预处理”，并对处理结果进行平差计算、坐标转换及分析综合处理。解得测站的三维坐标，测 体的坐标、运动速度、方向及精确时刻。

GPS定位技术是正在发展中的高新技术，数据处理技术也处在不断更新之中，各系列GPS接收机制造厂家研制的处理软件也各具特色。

GPS定位的基本方法

GPS定位采用空间被动式测量原理，即在测站上安置GPS用户接收系统，以各种可能的方式接收GPS卫星系统发送的各类信号，由计算机求解站星关系和测站的三维坐标。

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

我们普通使用的家用级GPS接收机，一般都是采用最基本的伪距测量方法。而由于精密定位的专业型接收机，往往不是单纯采用一种测量方式，而是以某种方式为主，并辅以其他方法。

目前，全球定位系统已广泛应用于军事和民用等众多领域中。GPS技术按待定点的状态分为静态定位和动态定位两大类。静态定 位是指待定点的位置在观测过程中固定不变的，如GPS在大地测量中的应用。动态定位是指待定点在运动载体上，在观测过程中是变化的，如GPS在船舶导航中 的应用。静态相对定位的精度一般在几毫米几厘米范围内，动态相对定位的精度一般在几厘米到几米范围内。对 GPS信号的处理从时间上划分为实时处理及后处理。实时处理就是一边接收卫星信号一边进行计算，获得目前所处的位置、速度及时间等信息；后处理是指把卫星信号记录在一定的介质上，回到室内统一进行数据处理。一般来说，静态定位用户多采用后处理，动态定位用户采用实时处理或后处理。

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作者：不详

原文：

时间：2006-11-01 16:23