摘要： 一、GPS系统及构成
全球定位系统即Global Positioning System，简称为GPS，是美国国防部为军事目的而研制的导航定位授时系统，旨在彻底解决陆地、海上和空中运载工具的导航和定位问题。该系统从1973年开始设计研制，在经过了方案论证、系统试验后，于1989年开始发射工作卫星，1994年全部建成并投入使用。
GPS系统的组成可分为：
(1)空间卫星星座部分
(2)地面监控部分
(3)用户设备部分
前两部分是用GPS进行定位的基础，用户只有借助于用户设备才可达到定位的目的。
空间卫星星座 由均匀分布在6个轨道面内的24颗卫星组成(其中有3颗是备用卫星)，每个轨道上分布有4颗卫星，轨道的平均高度约为20200km，偏心率为0.01，轨道相对地球赤道倾角约为55度，卫星运行周期为11小时58分。GPS卫星的这种空间分布使得同一观测点上每天出现的卫星分布图相同，只不过每天的时间提前约4分钟；并且每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时出现于地平线以上的卫星数目最少为4颗，多达11颗，随时间和地理位置而异；因卫星信号的传播和接收不受天气影响，故GPS是一种全球性全天侯的连续实时定位系统。
从1979年开始至今已有三代GPS卫星，分别为BlockⅠ，BlockⅡ和BlockⅢ。第一代(BlockI)为GPS实验卫星，现已停用；第二代(BlockⅡ，ⅡA)为GPS工作卫星，至1994年已发射完毕；第三代(BlockⅢ，ⅡR)正在设计中。
GPS卫星的主体呈圆柱形，直径为1.5m，重约774kg(包括310kg燃料)，两侧设有两块双叶太阳能电磁板，它能自动对日定向，以保证卫星工作供电。每颗卫星装有4台高精度原子钟，为GPS定位提供高精度的时间标准。
GPS卫星的基本功能为：
(1)接收和储存由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令；
(2)卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作；
(3)通过星载的高精度铷钟和铯钟提供精密的时间标准；
(4)向用户发送定位信息；
(5)在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。
地面监控部分 包括卫星监测站，主控站和信息注入站，主要由分布于全球的5个地面站构成。
卫星监测站设有双频GPS接收机，高精度原子钟，计算机和环境(气象)数据传感器。该站在主控站直接控制下自动采集数据，对GPS卫星连续观测，并监控卫星工作状况。观测资料经初步处理后存储并传送给主控站，以便确定卫星的轨道。
主控站设在美国的Colorado springs，除协调和管理所有地面监控系统外，其主要任务是：
(1)由本站及其他监控站的所有观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据传送到注入站；
(2)提供全球定位系统的时间基准；
(3)调整偏离轨道的卫星并使之沿预定轨道运行；
(4)启用备用卫星以代替失效的工作卫星。
注入站由分设在印度洋的Diego Garcia，南大西洋的Ascencion和南太平洋的Kwajalein三个站组成。其主要设备包括天线(直径3.6m)，C波段发射机和计算机。注入站的作用是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等注入到相应卫星的存储系统中，并监测所注入信息的正确性。
用户设备部分 用来接收GPS卫星发射的无线电信号，以获得必须的卫星轨道信息及观测量，经数据处理而得到定位结果。
随着GPS应用领域的日益扩大，用户设备依用途不同而异，主要由GPS接收机硬件，数据处理软件，微处理机及其终端设备组成；硬件又分为主机、天线和电源。
二、GPS定位的基本原理及系统运作方式
1.GPS卫星星历及坐标系统
GPS定位处理中，卫星轨道通常是已知的。卫星轨道信息用卫星星历描述，具体形式可以是卫星位置(和速度)的时间列表，也可为一组以时间为引数的轨道参数。按提供方式又可分为预报星历(广播星历)和后处理星历(精密星历)。
卫星的位置(和速度)，及用户定位计算的点位(未经坐标转换时)都是在协议地球坐标系(或叫地固系(ECEF))中表示的，其原点在地球质心，正z轴指向协议平均地极(CTP)，正x轴指向赤道上的经度零点(格林尼治平均天文台)y轴与z轴和x轴构成右手坐标系。GPS定位中的WGS-84坐标系和ITRF坐标系均属地固系。另外GPS系统主控站维持有专门的时间系统，称为GPS时，这是一种连续且均匀的时间系统，原点为1980年1月6日0时UTC，单位同国际单位制(SI)时间的秒定义，其后GPS时不受跳秒影响。
2.GPS定位的基本观测量及基本定位原理
GPS卫星中采用了现代数字通讯技术，运用多级反馈移位寄存器产生伪随机噪声码(Pseudo Random Noise，PRN)，这种伪随机码形成各GPS卫星的两种测距码，即C/A码和P码(或Y码)；此外GPS卫星所播发的信号中还包括载波信号和数据码(或称D码)。这三种信号分量都是在10.23MHZ的基本频率控制下产生的。其中数据码包含有关卫星星历、卫星工作状态、时间、卫星钟运行状况、轨道摄动改正等导航信息。
GPS卫星以L波段中的两种不同频率的电磁波为载波：
L1载波频率为10.23×154MHZ=1575.42MHZ；
L2载波频率为10.23×120MHZ=1227.6MHZ；
P码频率为10.23MHZ；
C/A码频率为10.23/10=1.023MHZ；
数据码频率为10.23/10/1023/20=50HZ。
GPS定位中的基本观测量包括伪距和载波相位。
接收机在跟踪卫星信号时，机内同时产生被跟踪卫星的码信号的复制码。为将该复制码和进入到接收机内的卫星信号对齐(相关)，码跟踪环路产生时移和多普勒频移；至两信号对齐时所需的时移乘以光速，即为所谓的伪距。其中包含了卫星和接收机时间系统的偏差，以及卫星信号在电离层和对流层中传播引起的时延，因而伪距的基本观测方程为：
P=[(X_R－X_S)²＋(Y_R－Y_S)²＋(Z_R－Z_S)²]^1/2+(V_S－V_T)·C
其中卫星X_S、Y_S、Z_S、V_S分别为观测时刻的卫星坐标和卫星钟差，均可由观测时间和卫星历星求出；V_T为接收机钟差。由于P中已作了电离层和对流层的延迟改正，因而上式中只包含X_R、Y_R、Z_R和V_T等4个未知数。欲通过GPS定位观测求得X_R、Y_R、Z_R，必须同时有4颗卫星的观测量P₁…P₄；由GPS定位系统中卫星的布设可知，任何时刻于任何地点均可获得至少4颗卫星的观测量，因而通过该系统的伪距观测量随时可获得空间定位结果。这种定位称为单点定位或绝对定位，其实质是测量学中的空间距离后方交会，由此可说明GPS定位的基本原理。
载波相位是指接收到的具有多普勒频移的载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。由于无法直接测定载波信号在传播路线上的相位变化的整周数，故存在整周不定性问题。另外由于观测环境等影响因素，其中还会产生整周跳变，因而与伪距观测定位相比，数据处理变得复杂，往往难以实现单次观测定位，不过由于相位观测量的精度比伪距观测值的精度高得多，它被用作相对定位，即精确地求定一点相对于另外一点的位置和精度。
相对定位是指给定至少一个已知点坐标，用两台或多台GPS接收机的观测数据推求其余未知点坐标参数的定位方法。它与绝对定位一起构成了GPS定位的两种基本模式。由于绝对定位可直接实时地获取观测点的地理坐标，因而该方法被广泛地应用于飞机、船舶及车辆等运动载体的导航和调度，以及在GIS(地理信息系统)中用作点位数据的采集等。相对定位由于其精度高，因而在大地测量、地球动力学和许多其它应用场合中需要采用这种定位模式。
三、 美国政府的GPS政策及用户的措施
鉴于GPS定位技术在军事上的重要性，美国政府在该系统的设计及运行中均采取了一些措施来限制非经美国特许的用户利用GPS定位的精度，因此将定位服务分为精密定位服务(PPS)和标准定位服务(SPS)。前一种针对美国军事部门及其特许用户，其实时单点定位精度可达510m；后一种则针对非特许用户，实时单点定位精度则降为100m(水平)和150m(垂直)，这是因为其中采取了SA技术(Selective Availability)和AS技术(AntiSpoofing)。AS包括人为降低广播星历精度和在卫星钟频信号中加入钟频抖动；AS技术则将p码与保密的W码相加形成Y码，这种码严格保密，以防敌方干扰和电子诱骗。
有鉴于此，目前普通用户普遍采用差分GPS技术来消除SA技术和AS技术对GPS定位的影响。经实施差分改正后的实时定位精度可达25m或更好(水平)。使用载波相位观测时，采用RTK差分技术可得到厘米级的实时定位精度。
为从根本上消除这类影响，可建立地区GPS卫星跟踪网，采用广域差分GPS(WADGPS)技术自行确定GPS卫星精密轨道和差分改正数，以达到精确定位和导航的目的。
四、GPS应用概况
GPS是现代空间技术，计算机技术与现代通信技术发展的结晶。这种空间定位与导航系统成为20世纪后期人类科技进步的里程碑。同时它将更广泛地渗透到地球物理学、海洋学、天文学、航空航天与遥感、交通及通信、气象科学等领域，并不断推动科学技术的发展与进步。
GPS的典型应用包括：
(1)大地测量，工程测量，城市规划及资源管理中的定位。
(2)地壳板块运动监测，地表沉降，建筑物形变及灾害的监测和预报。
(3)飞机着陆，公路、铁路车辆运行监控与管理。
(4)大气电离层变化分析，大气水汽含量及变化，遥感，天气预报。
(5)旅游，渔业和探险中的定位和定向。
(6)授时，通信网络与电力网络等时间同步服务。
(7)飞行器的轨迹及空间姿态的测定和预报。
* 杜道生教授是地理信息名词审定委员会委员。