介紹
GPS又稱為全球定位系統（GlobalPositioningSystemGPS），是美國從20世紀70年代開始研製，於1994年全面建成，具有海、陸、空全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統 。 GPS是由空間星座、地面控制和用戶設備等三部分構成的。GPS測量技術能夠快速、高效、準確地提供點、線、面要素的精確三維坐標以及其他相關信息，具有全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，廣泛套用于軍事、民用交通(船舶、飛機、汽車等)導航、大地測量、攝影測量、野外考察探險、土地利用調查、精確農業以及日常生活(人員跟蹤、休閒娛樂)等不同領域。現在GPS與現代通信技術相結合，使得測定地球表面三維坐標的方法從靜態發展到動態，從數據後處理髮展到實時的定位與導航，極大地擴展了它的套用廣度和深度。載波相位差分法GPS技術可以極大提高相對定位精度，在小範圍內可以達到厘米級精度。此外由於GPS測量技術對測點間地通視和幾何圖形等方面的要求比常規測量方法更加靈活、方便，已完全可以用來施測各種等級的控制網。GPS全站儀的發展在地形和土地測量以及各種工程、變形、地表沉陷監測中已經得到廣泛套用，在精度、效率、成本等方面顯示出巨大的優越性。
系統組成
GPS系統包括三大部分：空間部分—GPS衛星星座；地面控制部分—地面監控系統；用戶設備部分—GPS信號接收機。
GPS衛星星座
由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成GPS衛星星座記作（21+3）GPS星座。24顆衛星均勻分布在6個軌道平面內軌道傾角為55度各個軌道平面之間相距60度即軌道的升交點赤經各相差60度。每個軌道平面內各顆衛星之間的升交角距相差90度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衛星當地球對恆星來說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恆星時。這樣對於地面觀測者來說每天將提前4分鐘見到同一顆GPS衛星。位於地平線以上的衛星顆數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結算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。對於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並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。
地面監控系統
對於導航定位來說GPS衛星是一動態已知點。星的位置是依據衛星發射的星曆—描述衛星運動及其軌道的的參數算得的。每顆GPS衛星所播發的星曆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於同一時間標準—GPS時間系統。這就需要地面站監測各顆衛星的時間求出鐘差。然後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工作衛星的地面監控系統包括一個主控站、三個注入站和五個監測站。
GPS信號接收機
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並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衛星所傳送的導航電文實時地計算出測站的三維位置位置甚至三維速度和時間。
GPS衛星傳送的導航定位信號是一種可供無數用戶共享的信息資源。對於陸地、海洋和空間的廣大用戶只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設備即GPS信號接收機。可以在任何時候用GPS信號進行導航定位測量。根據使用目的的不同用戶要求的GPS信號接收機也各有差異。目前世界上已有幾十家工廠生產GPS接收機產品也有幾百種。這些產品可以按照原理、用途、功能等來分類。
靜態定位中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。GPS信號接收機所位於的運動物體叫做載體（如航行中的船艦空中的飛機行走的車輛等）。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）。
接收機硬體和機內軟體以及GPS數據的後處理軟體包構成完整的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。對於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測站上接收單元置於測站附近的適當地方用電纜線將兩者連線成一個整機。也有的將天線單元和接收單元製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做電源。同時採用機內機外兩種直流電源。設定機內電池的目的在於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。關機後機內電池為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測地型接收機用於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。用於差分定位其精度可達亞米級至厘米級。
目前各種類型的GPS接收機體積越來越小重量越來越輕便於野外觀測。GPS和GLONASS兼容的全球導航定位系統接收機已經問世。
定位原理
GPS的基本定位原理是：衛星不間斷地傳送自身的星曆參數和時間信息用戶接收到這些信息後經過計算求出接收機的三維位置三維方向以及運動速度和時間信息。
基於ARM的GPS定位系統，將其數據接收裝置安裝在待跟蹤的物體上，數據接收裝置通過接收GPS信號解析待跟蹤物體的定位信息，數據接收裝置再通過無線射頻向數據處理裝置傳送待跟蹤物體的定位信息，數據處理裝置處理接收到的定位信息，實現物體遠距離定位的目的。
也就是說，GPS定位是在被定位的物體或是設備上提前安裝GPS裝置，通過衛星去獲取GPS裝置的位置信息，然後將位置信息傳遞給控制端的一個過程。被定位端要預先安裝GPS裝置才可以定位，而且裝置必須得處於工作狀態，否則是定位不到的。
系統特點
GPS系統具有以下主要特點：高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、套用廣泛等。
定位精度高套用實踐已經證明GPS相對定位精度在50KM以內可達10-6m，100-500KM可達10-7m，1000KM可達10-9m。在300-1500M工程精密定位中1小時以上觀測的解其平面其平面位置誤差小於1mm與ME-5000電磁波測距儀測定得邊長比較其邊長較差最大為0.5mm校差中誤差為0.3mm。
觀測時間短隨著GPS系統的不斷完善軟體的不斷更新目前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分鐘然後可隨時定位每站觀測只需幾秒鐘。
測站間無須通視GPS測量不要求測站之間互相通視只需測站上空開闊即可因此可節省大量的造標費用。由於無需點間通視點位位置可根據需要可稀可密使選點工作甚為靈活也可省去經典大地網中的傳算點、過渡點的測量工作。
可提供三維坐標經典大地測量將平面與高程採用不同方法分別施測。GPS可同時精確測定測站點的三維坐標。目前GPS水準可滿足四等水準測量的精度。
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。使野外工作變得輕鬆愉快。
全天候作業目前GPS觀測可在一天24小時內的任何時間進行不受陰天黑夜、起霧颳風、下雨下雪等氣候的影響功能多、套用廣。
從這些特點中可以看出GPS系統不僅可用於測量、導航還可用於測速、測時。測速的精度可達0.1M/S測時的精度可達幾十毫微秒。其套用領域不斷擴大。GPS系統的套用前景當初設計GPS系統的主要目的是用於導航收集情報等軍事目的。但是後來的套用開發表明GPS系統不僅能夠達到上述目的而且用GPS衛星發來的導航定位信號能夠進行厘米級甚至毫米級精度的靜態相對定位米級至亞米級精度的動態定位亞米級至厘米級精度的速度測量和毫微秒級精度的時間測量。因此GPS系統展現了極其廣闊的套用前景。
用途
GPS最初就是為軍方提供精確定位而建立的至今它仍然由美國軍方控制。軍用GPS產品主要用來確定並跟蹤在野外行進中的士兵和裝備的坐標給海中的軍艦導航為軍用飛機提供位置和導航信息等。
目前GPS系統的套用已將十分廣泛我們可以套用GPS信號可以進行海、空和陸地的導航飛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。對於測繪領域GPS衛星定位技術已經用於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；用於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；用於監測地球板塊運動狀態和地殼形變；用於工程測量成為建立城市與工程控制網的主要手段。用於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。
許多商業和政府機構也使用GPS設備來跟蹤他們的車輛位置這一般需要藉助無線通信技術。一些GPS接收器集成了收音機、無線電話和移動數據終端來適應車隊管理的需要。
由於多元化空間資源環境的出現使得GPSGLONASSINMARSAT等系統都具備了導航定位功能形成了多元化的空間資源環境。這一多元化的空間資源環境促使國際民間形成了一個共同的策略即一方面對現有系統充分利用一方面積極籌建民間GNSS系統待到2010年前後GNSS純民間系統建成全球將形成GPS/GLONASS/GNSS三足鼎立之勢才能從根本上擺脫對單一系統的依賴形成國際共有、國際共享的安全資源環境。世界才可進入將衛星導航作為單一導航手段的最高套用境界。國際民間的這一策略反過來有影響和迫使美國對其GPS使用政策作出更開放的調整。總之由於多元化空間資源環境的確立給GPS的發展套用創造了一個前所未有的良好的國際環境。
車載GPS技術層面的發展趨勢第一個大趨勢就是頻率分集技術（frequencydiversity），實際上已經正在第二代GPS系統替換老化衛星過程中進行。完成以後，現代化的衛星星座將為民用用戶提供三種新的定位信號。此外，歐洲聯盟在2002年3月啟動的“伽里略”計畫也採取了此種技術。第二個大趨勢就是克服射頻干擾(RFI)。GPS廣播的功率特別低，一般為10到16瓦，很容易就會被周圍的射頻信號所干擾，而不能正常工作。GPS接收器將通過把接收到的測距碼與儲存在本地的複製碼的相位進行匹配來穿透噪聲。當相位一致時，接收器就能夠以定時信號作為精確的參考，因此就可以準確的定位。第三個大趨勢就是安裝保證定位誤差小於某一個特定值的綜合機械系統。採用微分GPS技術，系統將獲得來自地球同步軌道通信衛星的最新誤差校正信息，修正數據來自於地面參考接收器。過去GPS的誤差為2米，現在將更小。
太空部分
GPS的空間部分是由24顆GPS工作衛星所組成，這些GPS工作衛星共同組成了GPS衛星星座，其中21顆為可用於導航的衛星，3顆為活動的備用衛星。這24顆衛星分布在6個傾角為55°的軌道上繞地球運行。衛星的運行周期約為12恆星時。每顆GPS工作衛星都發出用於導航定位的信號。GPS用戶正是利用這些信號來進行工作的。
控制部分
GPS的控制部分由分布在全球的由若干個跟蹤站所組成的監控系統所構成，根據其作用的不同，這些跟蹤站又被分為主控站、監控站和注入站。主控站有一個，位於美國克羅拉多（Colorado）的法爾孔（Falcon）空軍基地，它的作用是根據各監控站對GPS的觀測數據，計算出衛星的星曆和衛星鐘的改正參數等，並將這些數據通過注入站注入到衛星中去；同時，它還對衛星進行控制，向衛星發布指令，當工作衛星出現故障時，調度備用衛星，替代失效的工作衛星工作；另外，主控站也具有監控站的功能。監控站有五個，除了主控站外，其它四個分別位於夏威夷（Hawaii）、阿松森群島（Ascencion）、迭哥伽西亞（DiegoGarcia）、卡瓦加蘭（Kwajalein），監控站的作用是接收衛星信號，監測衛星的工作狀態；注入站有三個，它們分別位於阿松森群島（Ascencion）、迭哥伽西亞（DiegoGarcia）、卡瓦加蘭（Kwajalein），注入站的作用是將主控站計算出的衛星星曆和衛星鐘的改正數等注入到衛星中去。
技術前景
1、在大地測量方面，利用GPS技術開展國際聯測，建立全球性大地控制網，提供高精度的地心坐標，測定和精化大地水準面，組織各部門參加1992年全國GPS定位大會戰。
2、在工程測量方面，套用GPS靜態相對定位技術，布設精密工程控制網，用於城市和礦區油田地面沉降監測、大壩變形、高層建築變形監測，隧道貫通測量等精密工程，測繪各種比例尺地形圖和施工放樣等。
3、在航空攝影測量方面，套用GPS技術進行航測外業控制測量、攝航飛行導航、機載GPS航測等航測成圖等。
4、在地球動力學方面，我國套用GPS技術於監測南極洲板塊運動、青藏高原地殼運動、四川鮮水河地殼斷裂運動，建立了中國地殼形變觀測網、三峽庫區形變觀測網、首都圈GPS形變監測網等。
5、在海洋測繪方面，我國已經套用GPS技術于海洋測量、水下地形測量。
