导航和定位问题，即指示目标的方向和方位问题，一直是人们关心和研究的问题，指南针、磁罗盘及陀螺等定位装置就是古老的定位方法。

1921年世界上第一个无线电导航测向系统的问世，宣告了无线电导航时代的到来。第二次世界大战中，由于军事的需要无线电导航技术得到了迅速的发展，期间很快出现了30多种无线电导航系统。

1957年原苏联发射了第一颗人造地球卫星，美国Johns Hopkins大学应用物理实验室在对卫星进行跟踪，测轨中得到启示，提出了用卫星发射信号进行定位和导航的想法，很快引起美国军方的重视。

1959年美国海军武器实验室提出研究NNSS(Navy Navigation Satellite System)，并在1964年研制成功，形成了世界上第一个实用卫星导航系统。它的出现，使导航系统进入了卫星导航的时代，该系统就是著名的子午仪系统。

1967年经美国政府批准该系统转为应用，并应用到海上钻井定位，海底电缆辅设，大地测量，资源调查等方面。在实际使用中发现子午仪系统的一些问题和不足，主要是这个系统采用6颗卫星组成的导航网，卫星轨道低，因此受大气影响严重，使定位精度受到影响，而且，所给出信息只是二维的。

鉴于子午仪导航系统存在的问题，在60年代末，70年代初，美国着手研究导航卫星测时测距全球定位系统，简称NAVSTAR/GPS系统，(Navigation Satellite Timing and Ranging/ Global Positioning System)即通常所说的“全球定位系统(GPS)”。

该系统具有全球连续覆盖，导航定位精度高，速度快，抗干扰力强等优点，现在已广泛地在全球应用。

需要指出，全球定位系统的导航和定位在概念上是有所不同的，所谓定位是指运动载体，如汽车上安装GPS信号接收机，然后实地测出接收天线所在的位置，这称为GPS定位，也称GPS动态定位。动态的意思是指定位是在极短的时间内完成的。如果GPS接收机在测得运动载体实时位置的同时，还测得运动载体的速度，时间和方位等状态参数，进而可“引导”运动载体驶向预定的目标位置，这称为导航。由此可知，导航是一种广义的动态定位。

GPS是从军事方面发展起来的，出于军事目的，它提供两种服务即标准定位服务SPS(Standard Positioning Service)和精确定位服务PPS(Precise Positioning Service)。前者用于民用事业，后者为美国军方服务。美国政府为限制非军事用户和其它国家使用GPS的精度，分别在1991年和1994年实施了“SA(Selective Availability)”技术和“AS(Anti-spoofing)”技术，即“有选择可用性”技术和“反电子欺骗技术”。使SPS服务水平定位精度降低到100米，而在密码保护下的PPS服务精度提高到1米。

针对美国实施的“SA”技术，各国纷纷采用技术对策，出现了差分GPS即 DGPS(Differential GPS)。“差分”的概念在无线电导航领域早就被采用，差分GPS的提出，使差分技术提高到过去从未有过的重要地位。采用差分GPS几乎可以完全消除“选择可用性”带来的误差。它利用某些地面发射站送出的已知精确位置的基准信号，将其与GPS的定位信号进行比较和修正。这样，通过建立基准通讯链方式，使GPS数据实现精确校正。目前利用差分技术可使定位精度超过单独使用PPS所得到精度。因此，美国比其它许多国家更快地将DGPS投入到实际使用中，目前其精度可达1cm，用它可监视地球和冰川的微小运动。

1997年4月美国政府宣布向国内开放GPS，并计划在全世界范围内自由使用GPS无疑将会刺激本来正在迅速发展的GPS技术。今后，GPS这门新的空间技术将会很快步入社会的各个部门，如同Internet网一样成为信息的全球公用资源。

9．2．2 GPS的组成

GPS是建立在无线电定位系统，导航系统和定时系统基础上的空间导航系统。它以距离为基本观测量，通过同时对多颗卫星进行伪距离测量来计算接收机的位置。由于测距是在极短时间内完成的，故可实现动态测量。

GPS主要由空间导航卫星，地面监控站组和用户设备三部分组成，如图9-2所示。

GPS卫星由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成。工作卫星分布在6个轨道面内，卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55°，每个轨道平面配置3颗卫星，每隔一条轨道平面配备一颗备用卫星，轨道的平均高度约为20200km，卫星运行周期为11小时58分。因此，在同一测站上，每天出现的卫星分布图相同，只是每天提前几分钟。每颗卫星对地球的可见面积为地球总表面积的38％，每颗卫星每天约有5小时在地平线上。同时位于地平线上的卫星数目最少为4颗，最多为11颗。这样的空间配置，可保证在地球上任何时间，任何地点至少可同时观测到4颗卫星，加上卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此，GPS是一种全球，全天候的连续实时导航定位系统。

GPS的地面监控部分由5个监控站，3个注入站和1个主控站组成。

监控站是数据自动采集中心。它包括双频GPS接收机，高精度原子钟，传感器及计算设备，它主要为主控站提供各种观测数据。

主控站是系统管理和数据处理的中心。其主要任务是用监控站和本站提供的观测数据计算卫星的星历，卫星钟差和大气延迟修正参数，提供全球定位系统时间基准，并将这些数据传到注入站，调整卫星运行轨道，启动备用卫星等。

注入站将主控站推算出的卫星星历，钟差，导航电文等控制指令注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。

用户设备系统包括GPS接收机，天线，计算设备和相关软件。

用户设备的核心是GPS接收机，以利用定位卫星提供信号来得到位置、时间、运动方向、速度等信息。

接收机按功能分为GPS导航接收机和GPS接收机两种。按接收信道方式分并行和串行接收机。并行接收机具有多个信道，每个信道跟踪一颗卫星，并解调各信道信号，串行方式接收机只有一个信道，利用内部切换逐步处理各个卫星信号。

GPS接收机种类很多，功能也各不相同，但它们的基本功能大体可用图9-3来表示。

9．2．3 GPS的应用与发展

GPS技术是近几年迅速发展起来的新技术。它起源于军事的需要，目前也广泛用于民用事业中，而且其应用领域还在不断扩大。

1．GPS在军事中的应用。很多尖端科学技术的发展都同军事需要密切相关。如果说无线电导航技术在第二次世界大战中获得了迅速发展，并对战争起了重要作用的话。那么GPS在海湾战争中更是充当了一个非常重要角色。在海湾战争中美军配备了大量GPS接收机，在难以用地貌地形定位的茫茫大沙漠中，实现了全天候、高精度的定位。同时利用GPS导航功能对轰炸机导航，使特种部队能正确空袭，空降和空运，使袭击目标正确，撤退及时，对战争起了决定性作用。也正是通过海湾战争，人们对GPS的认识有了“觉醒”，从而导致了这几年GPS的迅速发展。

2．GPS在测量领域中的应用也越来越广泛，并已形成了一门新的学科——GPS全球大地测量学。它将进一步服务于地球物理学，地球动力学，天体力学等空间学科中。

3．GPS在工程建设中具有很大潜力，尤其在动态监测方面。例如，利用GPS监测捕获水库工作情况，甚至可捕获大型建筑物的变形信息，以便采取措施。

4．海陆空交通运输导航将是GPS的最大市场。目前除大量船只依赖于GPS导航外，在航空业务方面，美国民航已全面接受利用GPS作为单一导航手段。在一些名牌汽车中，如德国“奔驰”、“保时捷”，法国“雷诺”，美国的“卡迪拉克”正在着手把GPS同蜂窝电话融合起来，用GPS导航，通过数字地图选定最佳路线，使公路负担均匀，降低运输成本。

5．GPS在农林领域中用处很广。在森林资源调查中，利用GPS接收机可不迷失方向；在森林防火中，护林员装备GPS系统，可及时向指挥部报告和显示火灾准确位置、高程及火情，以便迅速扑灭火灾。在施肥中，根据土壤采样数据，用施肥模型软件，使施肥设备和拖拉机中GPS同步工作，可实现定位施肥技术。

在我国，自1988年引进第一套GPS接收机以来，其应用已经历了实验阶段，生产应用阶段，现已进入了全面开发应用阶段。目前，我国已有一定数量的测量型和导航型GPS接收机。1990年我国建立了GPS的B级网，它覆盖了全国大陆除西北经济不发达地区以外的所有范围。1992年建立了国家GPS的A级网，该网已纳入国际地球参考框架(ITRF—91)。