利用GPS定位衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)實時進(jìn)行定位、導(dǎo)航的系統(tǒng)，稱為全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，簡稱GPS(英語全稱為：Global Positioning System)，它可以為地球表面絕大部分地區(qū)(98%)提供準(zhǔn)確的定位、測速和高精度的時間標(biāo)準(zhǔn)(GPS定位系統(tǒng))。

GPS全球定位系統(tǒng)由美國國防部研制和維護(hù)，可滿足位于全球任何地方或近地空間的軍事用戶連續(xù)精確的確定三維位置、三維運(yùn)動和時間的需要(GPS是什么)。該系統(tǒng)包括太空中的24顆GPS衛(wèi)星;地面上的1個主控站、3個數(shù)據(jù)注入站和5個監(jiān)測站及作為用戶端的GPS接收機(jī)。最少只需其中3顆衛(wèi)星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔高度;所能收聯(lián)接到的衛(wèi)星數(shù)越多，解碼出來的位置就越精確。

GPS全球定位系統(tǒng)的組成

GPS全球定位系統(tǒng)是美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。是在子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它采納了子午儀系統(tǒng)的成功經(jīng)驗。和子午儀系統(tǒng)一樣，全球定位系統(tǒng)由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機(jī)三大部分組成。

按目前的方案，全球定位系統(tǒng)的空間部分使用24顆高度約2.02萬千米的衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座。21+3顆衛(wèi)星均為近圓形軌道，運(yùn)行周期約為11小時58分，分布在六個軌道面上(每軌道面四顆)，軌道傾角為55度。衛(wèi)星的分布使得在全球的任何地方，任何時間都可觀測到四顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形(DOP)。這就提供了在時間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰Α?/p>

地面監(jiān)控部分包括四個監(jiān)控站、一個上行注入站和一個主控站。監(jiān)控站設(shè)有GPS用戶接收機(jī)、原子鐘、收集當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)的傳感器和進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理的計算機(jī)。監(jiān)控站的主要任務(wù)是取得衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送至主控站。主控站設(shè)在范登堡空軍基地。它對地面監(jiān)控部實行全面控制。

主控站主要任務(wù)是收集各監(jiān)控站對GPS衛(wèi)星的全部觀測數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)計算每顆GPS衛(wèi)星的軌道和衛(wèi)星鐘改正值。上行注入站也設(shè)在范登堡空軍基地。它的任務(wù)主要是在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時把這類導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站的指令注入到衛(wèi)星。這種注入對每顆GPS衛(wèi)星每天進(jìn)行一次，并在衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進(jìn)行最后的注入。

GPS全球定位系統(tǒng)分類

按定位方式，GPS全球定位系統(tǒng)定位分為單點(diǎn)定位和相對定位(差分定位)。

單點(diǎn)定位就是根據(jù)一臺接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)來確定接收機(jī)位置的方式，它只能采用偽距觀測量，可用于車船等的概略導(dǎo)航定位。

相對定位(差分定位)是根據(jù)兩臺以上接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)來確定觀測點(diǎn)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，大地測量或工程測量均應(yīng)采用相位觀測值進(jìn)行相對定位。

GPS全球定位系統(tǒng)發(fā)展

GPS全球定位系統(tǒng)由美國政府于1970年代開始進(jìn)行研制并于1994年全面建成。使用者只需擁有GPS接收機(jī)即可使用該服務(wù)，無需另外付費(fèi)。GPS信號分為民用的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS，Standard Positioning Service)和軍規(guī)的精確定位服務(wù)(PPS，Precise Positioning Service)兩類。

由于SPS無須任何授權(quán)即可任意使用，原本美國因為擔(dān)心敵對國家或組織會利用SPS對美國發(fā)動攻擊，故在民用訊號中人為地加入選擇性誤差(即SA政策，Selective Availability)以降低其精確度，使其最終定位精確度大概在100米左右;軍規(guī)的精度在十米以下。2000年以后，克林頓政府決定取消對民用訊號的干擾。因此，現(xiàn)在民用GPS也可以達(dá)到十米左右的定位精度。

GPS全球定位系統(tǒng)計劃實施階段：

第一階段為方案論證和初步設(shè)計階段。

從1978年到1979年，由位于加利福尼亞的范登堡空軍基地采用雙子座火箭發(fā)射4顆試驗衛(wèi)星，衛(wèi)星運(yùn)行軌道長半軸為26560km，傾角64度。軌道高度20000km。這一階段主要研制了地面接收機(jī)及建立地面跟蹤網(wǎng)，結(jié)果令人滿意。

第二階段為全面研制和試驗階段。

從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆稱為BLOCK I的試驗衛(wèi)星，研制了各種用途的接收機(jī)。實驗表明，GPS定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，利用粗碼定位，其精度就可達(dá)14米。

第三階段為實用組網(wǎng)階段。

1989年2月4日第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，這一階段的衛(wèi)星稱為BLOCK II 和 BLOCK IIA。此階段宣告GPS系統(tǒng)進(jìn)入工程建設(shè)狀態(tài)。1993年底使用的GPS網(wǎng)即(21+3)GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計劃更換失效的衛(wèi)星。

GPS全球定位系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

(1)三維定速定時高精度;

(2)快速、省時、高效率、應(yīng)用廣泛、多功能;

(3)可移動定位;

(4)不同于雙星定位系統(tǒng)，使用過程中接收機(jī)不需要發(fā)出任何信號增加了隱蔽性，提高了其軍事應(yīng)用效能。

(5)使用低頻訊號，縱使天候不佳仍能保持相當(dāng)?shù)挠嵦柎┩感?全球覆蓋(高達(dá)98%);

(6)具有性能好、精度高、應(yīng)用廣的特點(diǎn)，是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，硬、軟件的不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地開拓，目前已遍及國民經(jīng)濟(jì)各種部門，并開始逐步深入人們的日常生活。

總結(jié)

經(jīng)近 10 年我國測繪等部門的使用表明， GPS全球定位系統(tǒng)以全天候、高精度、 自動化、高效益等顯著特點(diǎn)，贏得廣大測繪工作者的信賴，并成功地應(yīng)用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學(xué)等多種學(xué)科，從而給測繪領(lǐng)域帶來一場深刻的技術(shù)革命。本文簡單介紹了GPS全球定位系統(tǒng)的組成、分類、發(fā)展、實施計劃、優(yōu)點(diǎn)等基礎(chǔ)知識。