全球定位体系（Global PosiTIoning System，一般简称GPS）是一个中间隔圆型轨迹卫星导航体系。它可认为地球表面绝大部分区域（98%）供给准确的定位、测速和高精度的时刻规范。体系由美国国防部研发和保护，可满意坐落全球任何当地或近地空间的军事用户接连准确的确认三维方位、三维运动和时刻的需求。该体系包括太空中的24颗GPS卫星；地上上的1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接纳机。最少只需其间4颗卫星，就能敏捷确认用户端在地球上所在的方位及海拔高度；所能收联接到的卫星数越多，解码出来的方位就越准确。
该体系是由美国政府于20世纪70年代开端进行研发于1994年全面建成。运用者只需具有GPS接纳机，无需别的付费。GPS信号分为民用的规范定位服务（SPS，Standard PosiTIoning Service）和军规的准确认位服务（PSS，Precise PosiTIoning Service）两类。因为SPS无须任何授权即可恣意运用，本来美国因为忧虑仇视国家或安排会运用SPS对美国发起进犯，故在民用信号中人为地参加差错以下降其准确度，使其终究定位准确度大概在100米左右；军规的精度在十米以下。2000年往后，克林顿政府决议撤销对民用信号的搅扰。因而，现在民用GPS也能够到达十米左右的定位精度。
GPS体系具有如下多种长处：全天候，不受任何气候的影响；全球掩盖（高达98%）；三维定速守时高精度；快速、省时、高效率；运用广泛、多功用；可移动定位；不同于双星定位体系，运用过程中接纳机不需求宣布任何信号增加了隐蔽性，提高了其军事运用效能。
GPS体系的组成
GPS体系包括三大部分：空间部分—GPS卫星星座；地上操控部分—地上监控体系；用户设备部分—GPS信号接纳机。
GPS卫星星座：
由21颗作业卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座记作（21+3）GPS星座。24颗卫星均匀散布在6个轨迹平面内轨迹倾角为55度各个轨迹平面之间相距60度即轨迹的升交点赤经各相差60度。每个轨迹平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度一轨迹平面上的卫星比西边相邻轨迹平面上的相应卫星超前30度。
在两万公里高空的GPS卫星当地球对恒星来说自转一周时它们绕地球运转二周即绕地球一周的时刻为12恒星时。这样关于地上观测者来说每天将提早4分钟见到同一颗GPS卫星。坐落地平线以上的卫星颗数跟着时刻和地址的不同而不同最少可见到4颗最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时为了结算测站的三维坐标有必要观测4颗GPS卫星称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几许方位散布对定位精度有必定的影响。关于某地某时乃至不能测得准确的点位坐标这种时刻段叫做“空隙段”。但这种时刻空隙段是很时刻短的并不影响全球绝大多数当地的全天候、高精度、接连实时的导航定位丈量。GPS作业卫星的编号和实验卫星根本相同。
地上监控体系：
关于导航定位来说GPS卫星是一动态已知点。星的方位是依据卫星发射的星历—描绘卫星运动及其轨迹的的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历是由地上监控体系供给的。卫星上的各种设备是否正常作业以及卫星是否一向沿着预订轨迹运转都要由地上设备进行监测和操控。地上监控体系另一重要效果是坚持各颗卫星处于同一时刻规范—GPS时刻体系。这就需求地上站监测各颗卫星的时刻求出钟差。然后由地上注入站发给卫星卫星再由导航电文发给用户设备。GPS作业卫星的地上监控体系包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。
GPS信号接纳机：
GPS信号接纳机的使命是：能够捕获到按必定卫星高度截止角所挑选的待测卫星的信号并盯梢这些卫星的运转对所接纳到的GPS信号进行改换、放大和处理以便丈量出GPS信号从卫星到接纳机天线的传达时刻解译出GPS卫星所发送的导航电文实时地计算出测站的三维方位方位乃至三维速度和时刻。
GPS卫星发送的导航定位信号是一种可供很多用户同享的信息资源。关于陆地、海洋和空间的宽广用户只需用户具有能够接纳、盯梢、改换和丈量GPS信号的接纳设备即GPS信号接纳机。能够在任何时候用GPS信号进行导航定位丈量。依据运用意图的不同用户要求的GPS信号接纳机也各有差异。现在世界上已有几十家工厂出产GPS接纳机产品也有几百种。这些产品能够依照原理、用处、功用等来分类。
静态定位中GPS接纳机在捕获和盯梢GPS卫星的过程中固定不变接纳机高精度地丈量GPS信号的传达时刻运用GPS卫星在轨的已知方位解算出接纳机天线所在方位的三维坐标。而动态定位则是用GPS接纳机测定一个运动物体的运转轨迹。GPS信号接纳机所坐落的运动物体叫做载体（如飞行中的船舰空中的飞机行走的车辆等）。载体上的GPS接纳机天线在盯梢GPS卫星的过程中相对地球而运动接纳机用GPS信号实时地测得运动载体的状况参数（瞬间三维方位和三维速度）。
接纳机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完好的GPS用户设备。GPS接纳机的结构分为天线单元和接纳单元两大部分。关于测地型接纳机来说两个单元一般分红两个独立的部件观测时将天线单元安顿在测站上接纳单元置于测站邻近的恰当当地用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接纳单元制作成一个全体观测时将其安顿在测站点上。
GPS接纳机一般用蓄电池做电源。一起选用机内机外两种直流电源。设置机内电池的意图在于替换外电池时不中止接连观测。在用机外电池的过程中机内电池主动充电。关机后机内电池为RAM存储器供电以避免丢掉数据。
近几年国内引入了许多种类型的GPS测地型接纳机。各种类型的GPS测地型接纳机用于精细相对定位时其双频接纳机精度可达5MM+1PPM.D单频接纳机在必定间隔内精度可达10MM+2PPM.D。用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。
现在各种类型的GPS接纳机体积越来越小分量越来越轻便于户外观测。GPS和GLONASS兼容的全球导航定位体系接纳机现已面世。
GPS体系开展进程
自1978年以来现已有超越50颗GPS和NAVSTAR卫星进入轨迹。
前身
GPS（又称全球卫星导航体系或全球卫星定位体系）体系的前身为美军研发的一种子午仪卫星定位体系（Transit），1958年研发，1964年正式投入运用。该体系用5到6颗卫星组成的星网作业，每天最多绕过地球13次，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽善尽美。可是，子午仪体系使得研发部分对卫星定位取得了开始的阅历，并验证了由卫星体系进行定位的可行性，为GPS体系的研发埋下了衬托。因为卫星定位显现出在导航方面的巨大优越性及子午仪体系存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺点。美国海陆空三军及民用部分都感到迫切需求一种新的卫星导航体系。为此，美国水兵研讨实验室（NRL）提出了名为TInmation的用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网方案，并于67年、69年和74年各发射了一颗实验卫星，在这些卫星上开始实验了原子钟计时体系，这是GPS体系准确认位的根底。而美国空军则提出了621-B的以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的方案，这些卫星中除1颗选用同步轨迹外其他的都运用周期为24h的歪斜轨迹 该方案以伪随机码（PRN）为根底传达卫星测距信号，其强壮的功用，当信号密度低于环境噪声的１％时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS体系得以取得成功的一个重要根底。水兵的方案首要用于为舰船供给低动态的2维定位，空军的方案能供供给高动态服务，可是体系过于杂乱。因为一起研发两个体系会构成巨大的费用，并且这儿两个方案都是为了供给全球定位而规划的，所以1973年美国国防部将2者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合方案局（JPO）领导，还将办事机构树立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员很多，包括美国陆军、水兵、水兵陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。
方案
开始的GPS方案在联合方案局的领导下诞生了，该方案将24颗卫星放置在互成120度的三个轨迹上。每个轨迹上有8颗卫星，地球上任何一点均能观测到6至9颗卫星。这样，粗码精度可达100m，精码精度为10m。 因为预算紧缩，GPS方案不得不削减卫星发射数量，改为将18颗卫星散布在互成60度的6个轨迹上。可是这一方案使得卫星可靠性得不到确保。1988年又进行了最终一次批改：21颗作业星和3颗备份星作业在互成30度的6条轨迹上。这也是现在GPS卫星所运用的作业方式。
方案施行
GPS方案的施行共分三个阶段：
榜首阶段为方案证明和开始规划阶段。
从1978年到1979年，由坐落加利福尼亚的范登堡空军基地选用双子座火箭发射4颗实验卫星，卫星运转轨迹长半轴为26560km，倾角64度。轨迹高度20000km。这一阶段首要研发了地上接纳机及树立地上盯梢网，成果令人满意。
第二阶段为全面研发和实验阶段。
从1979年到1984年，又连续发射了7颗称为BLOCK I的实验卫星，研发了各种用处的接纳机。实验标明，GPS定位精度远远超越规划规范，运用粗码定位，其精度就可达14米。
第三阶段为有用组网阶段。
1989年2月4日榜首颗GPS作业卫星发射成功，这一阶段的卫星称为BLOCK II 和 BLOCK IIA。此阶段宣告GPS体系进入工程建造状况。1993年末运用的GPS网即（21+3）GPS星座现已建成，往后将依据方案替换失效的卫星。
GPS卫星
在测验架上的GPS卫星
GPS卫星是由洛克菲尔世界公司空间部研发的，卫星重774kg，运用寿命为7年。卫星选用蜂窝结构，主体呈柱形，直径为1.5m。卫星两边装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板（BLOCK I），全长5.33m承受日光面积为7.2m2。对日定向体系操控两翼电池帆板旋转，使板面一直对准太阳，为卫星不断供给电力，并给三组15Ah镉镍电池充电，以确保卫星在地球暗影部分能正常作业。在星体底部装有12个单元的多波束定向天线，能发射张角大约为30度的两个L波段（19cm和24cm波）的信号。在星体的两头面上装有全向遥测遥控天线，用于与地上监控网的通讯。此外卫星还装有姿势操控体系和轨迹操控体系，以便使卫星坚持在恰当的高度和角度，准确对准卫星的可见地上。
由GPS体系的作业原理可知，星载时钟的准确度越高，其定位精度也越高。前期实验型卫星选用由霍普金斯大学研发的石英振荡器，相对频率安稳度为10 ？ 11/秒。差错为14米。1974年往后，gps卫星选用铷原子钟，相对频率安稳度到达10 ？ 12/秒，差错8m。1977年，BOKCK II型选用了马斯频率和时刻体系公司研发的铯原子钟后相对安稳频率到达10 ？ 13/秒，差错则降为2.9m。1981年，休斯公司研发的相对安稳频率为10 ？ 14/秒的氢原子钟使BLOCK IIR型卫星差错仅为1m。
GPS体系原理
当苏联发射了榜首颗人造卫星后，美国约翰·霍布斯金大学运用物理实验室的研讨人员提出已然能够已知观测站的方位知道卫星方位，那么假如已知卫星方位，应该也能丈量出接纳者的所在方位。这是导航卫星的根本想象。GPS导航体系的根本原理是丈量出已知方位的卫星到用户接纳机之间的间隔，然后归纳多颗卫星的数据就可知道接纳机的具体方位。要到达这一意图，卫星的方位能够依据星载时钟所记载的时刻在卫星星历中查出。而用户到卫星的间隔则经过纪录卫星信号传到达用户所阅历的时刻，再将其乘以光速得到（因为大气层电离层的搅扰，这一间隔并不是用户与卫星之间的实在间隔，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常作业时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS体系运用的伪码一共有两种，别离是民用的C/A码和军用的P（Y）码。C/A码频率1.023MHz，重复周期一毫秒，码间隔1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间隔0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的根底上构成的，保密功用更佳。导航电文包括卫星星历、作业状况、时钟改正、电离层时延批改、大气折射批改等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包括5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每30秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容首要有遥测码、转化码、第1、2、3数据块，其间最重要的则为星历数据。当用户承受到导航电文时，提取出卫星时刻并将其与自己的时钟做比照便可得知卫星与用户的间隔，再运用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所在方位，用户在WGS-84大地坐标系中的方位速度等信息便可得知。可见GPS导航体系卫星部分的效果便是不断地发射导航电文。可是，因为用户承受机运用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引入一个Δt即卫星与接纳机之间的时刻差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以假如想知道接纳机所在的方位，至少要能接纳到4个卫星的信号。
差分技能
为了使民用的准确度提高，科学界开展另一种技能，称为差分全球定位体系（Differential GPS）， 简称DGPS。亦即运用邻近的已知参阅坐标点（由其它丈量办法所得）， 来批改 GPS 的差错。再把这个即时（real time）差错值参加自身坐标运算的考虑， 便可取得更准确的值。
GPS有2D导航和3D导航分，在卫星信号不行时无法供给3D导航服务，并且海拔高度精度显着不行，有时到达10倍差错。可是在经纬度方面经改善差错很小。卫星定位仪在楼房树立的区域扑捉卫星信号要花较长时刻。
GPS的功用
准确认时：广泛运用在天文台、通讯体系基站、电视台中
工程施工：路途、桥梁、地道的施工中很多选用GPS设备进行工程丈量
勘探测绘：户外勘探及城区规划中都有用到
导航：
兵器导航：准确制导导弹、巡航导弹
车辆导航：车辆调度、监控体系
船只导航：远洋导航、港口/内河引水
飞机导航：航线导航、出场着陆操控
星际导航：卫星轨迹定位
个人导航：个人旅行及户外探险
定位：
车辆防盗体系
手机，PDA，PPC等通讯移动设备防盗，电子地图，定位体系
儿童及特殊人群的防迷路体系
精准农业：农机具导航、主动驾驶，土地高精度平坦
GPS的六大特色
榜首，全天候，不受任何气候的影响；
第二，全球掩盖（高达98%）；
第三，三维定点定速守时高精度；
第四，快速、省时、高效率；
第五，运用广泛、多功用；
第六，可移动定位。
定位精度高运用实践现已证明GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6100-500KM可达10-71000KM可达10-9。在300-1500M工程精细定位中1小时以上观测的解其平面其平面方位差错小于1mm与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较其边长较差最大为0.5mm校差中差错为0.3mm。
观测时刻短跟着GPS体系的不断完善软件的不断更新现在20KM以内相对静态定位仅需15-20分钟；快速静态相对定位丈量时当每个流动站与基准站相距在15KM以内时流动站观测时刻只需1-2分钟然后可随时定位每站观测只需几秒钟。
测站间无须通视GPS丈量不要求测站之间互相通视只需测站上空开阔即可因而可节约很多的造标费用。因为无需点间通角度位方位可依据需求可稀可密使选点作业甚为灵敏也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的丈量作业。
可供给三维坐标经典大地丈量将平面与高程选用不同办法别离施测。GPS可一起准确测定测站点的三维坐标。现在GPS水准可满意四等水准丈量的精度。
操作简洁跟着GPS接纳机不断改善主动化程度越来越高有的已达“傻瓜化”的程度；接纳机的体积越来越小分量越来越轻极大地减轻丈量作业者的作业严重程度和劳动强度。使户外作业变得轻松愉快。
全天候作业现在GPS观测可在一天24小时内的任何时刻进行不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响功用多、运用广。
从这些特色中能够看出GPS体系不只可用于丈量、导航还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1M/S测时的精度可达几十毫微秒。其运用领域不断扩大。GPS体系的运用远景最初规划GPS体系的首要意图是用于导航搜集情报等军事意图。可是后来的运用开发标明GPS体系不只能够到达上述意图并且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级乃至毫米级精度的静态相对定位米级至亚米级精度的动态定位亚米级至厘米级精度的速度丈量和毫微秒级精度的时刻丈量。因而GPS体系展示了极端宽广的运用远景。
现在正在运转的全球卫星定位体系有美国的GPS体系和俄罗斯的GLONASS体系。
欧盟1999年头正式推出“伽利略”方案，布置新一代定位卫星。该方案由27颗运转卫星和3颗准备卫星组成，能够掩盖全球，方位精度达几米，亦可与美国的GPS体系兼容，总投资为35亿欧元。该方案估计于2010年投入运转。
我国还独立研发了一个区域性的卫星定位体系——斗极导航体系。该体系的掩盖规模限于我国及周边区域，不能在全球规模供给服务，首要用于军事用处。
运用
军事 洲际弹道导弹
物流办理
地理信息体系
移动电话
数码相机
航空
卫星地图
航空
