[科普中国]-全球定位系统

全球定位系统(Global Positioning System，GPS)是一种以空中卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统，它在全球任何地方以及近地空间都能够提供准确的地理位置、车行速度及精确的时间信息。GPS自问世以来，就以其高精度、全天候、全球覆盖、方便灵活吸引了众多用户。GPS不仅是汽车的守护神，同时也是物流行业管理的智多星。随着物流业的快速发展，GPS有着举足轻重的作用，成为继汽车市场后的第二大主要消费群体。GPS是美国从20世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位功能的新一代卫星导航与定位系统1。

概述GPS是美国从20世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位功能的新一代卫星导航与定位系统。经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得了广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科中，从而给测绘领域带来了一场深刻的技术革命。

GPS是美国第二代卫星导航系统。它是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。按目前的方案，GPS的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。24颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在6个轨道面上（每轨道面4颗），轨道倾角为55度。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。

GPS主要由三大组成部分：空间部分、地面监控部分和用户设备部分。GPS系统具有高精度、全天候、用广泛等特点1。

全球定位系统的发明20世纪70年代，美国国防部为了给陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并进行情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，开始研制“导航卫星定时和测距全球定位系统”，简称全球定位系统。1973年，美国国防部开始设计、试验。1989年2月4日，第一颗GPS卫星发射成功，到1993年底建成了实用的GPS网，即（21+3GPS）星座，并开始投入商业运营。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座已经布设完成2。

发展历史GPS是指利用GPS卫星，向全球各地全天候、实时性地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统。GPS的前身是1958年美国军方研制的一种子午仪( Transit)卫星定位系统，1964年正式投入使用，该系统用5-6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13圈，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪卫星定位系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，这就为GPS的研制做了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性以及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷，美国陆、海、空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。

20世纪70年代，陆、海、空三军联合研制了新一代全球定位系统，GPS主要目的是为陆、海、空三军提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报搜集、核爆炸监测和应急通信等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座已布设完成。GPS已经经历了第一代和第二代，现在已升级到第三代，以保持其在导航定位系统的霸主地位，从目前来看，GPS是全球范围内精度最高、覆盖范围最广的导航定位系统。

最初的GPS计划是在美国联合计划局的领导下制定的，该方案将24颗卫星放置在互成1200的三个轨道上。每个轨道上有8颗卫星，地球上任何一点均能观测到6-9颗卫星。这样，粗码精度可达100m，精码精度为10m。由于预算的压缩，GPS计划不得不减少卫星发射数量，改为将18颗卫星分布在互成600的6个轨道上，然而这一方案保障不了卫星的可靠性。1988年又进行了最后一次修改：21颗工作卫星和3颗备用卫星工作在互成600的6个轨道上。这也是目前GPS卫星所使用的工作方式3。

工作原理定位原理

GPS定位包括伪距单点定位、载波相位定位和实时差分定位。

1．伪距测量及伪距单点定位

伪距测量就是测定卫星到接收机的距离，即由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得的距离。伪距法单点定位，就是利用GPS接收机在某一时刻测定与4颗以上GPS卫星的伪距，及从卫星导航电文中获得的卫星瞬时坐标，采用距离交会法求出天线在WGS-84坐标系中的三维坐标。

2．载波相位测量及载波相位定位

载波相位测量是测定GPS卫星载波信号到接收机天线之间的相位延迟。GPS卫星载波上调制了测距码和导航电文，接收机接收到卫星信号后，先将载波上的测距码和卫星电文去掉，重新获得载波，称为重建载波。GPS接收机将卫星重建载波与接收机内由振荡器产生的本振信号通过相位计比相，即可得到相位差。

3．实时差分定位

GPS实时差分定位的原理是在已有的精确地心坐标点上安放GPS接收机（称为基准站），利用已知的地心坐标和星历计算GPS观测值的校正值，并通过无线电通信设备（称为数据链）将校正值发送给运动中的GPS接收机（称为流动站）。流动站利用校正值对自己的GPS观测值进行修正，以消除上述误差，从而提高实时定位精度。GPS动态差分方法有多种，主要有位置差分、伪距差分( RTD)、载波相位实时差分(RTK)和广域差分等。

GPS信号的接收与测量原理主动测距与被动测距GPS属于被动式卫星导航系统，在被动式测距系统中，用户天线只需要接收来自这些卫星的导航定位信号，从而就可测得用户天线至卫星的距离或距离差。这种发送测距信号和接收测距信号分别位居两个不同地方的测距方式，称为被动测距。用它所测得的站星距离，并利用已知的卫星在轨位置，可推算出用户天线的三维位置。这种基于被动测距原理的定位，称为被动定位。如果发送设备所发射的测距信号经过反射器的反射或转发，又返回到发送点，为其接收设备所接收，进而测得测距信号所经历的距离。这种发送和接收测距信号位于同一个地方的测距原理，称为主动测距。用它所测得的站星距离和已知的卫星在轨位置，也可推算出用户现时的三维位置。这种基于主动测距原理的定位，称为主动定位。

GPS伪距测量GPS全球定位系统采用多星高轨测距体制，以距离作为基本观测量，通过对4颗卫星同时进行伪距测量，即可推算出接收机的位置。由于测距可在极短的时间内完成，即定位是在极短的时间内完成的，故可用于动态用户。

现代测距实质上是使用无线电信号测量其传播时间来推算距离。可以测量往返传播延迟，也可以测量单程传播延迟。往返传播测距即主动测距，要求卫星与用户均具备收发能力。对用户来说，这不仅大大增加了仪器的复杂程度，而且从隐蔽性来看也是十分不利的，因为发射信号易造成暴露。单程测距（即被动测距）则在很大程度上避免了上述的缺点。但单程测距要求卫星与用户接收机的时钟同步。如果两个时钟不同步，那么在所测量的传播延时时间中，除了因卫星至用户接收机之间距离所引起的传播延迟之外，还包含了两个时钟的钟差。要达到卫星与用户时钟同步，在实际工作中很难做到，但可通过适当方法解决。

伪随机码与伪随机码测距在有噪声干扰的情况下，综合考虑测距精度、信号带宽、所需功率及不同卫星识别等问题，全球定位系统采用了伪随机码测距技术。伪随机码又称为伪噪声码，是一种可以预先确定并可以重复地产生和复制，又具有随机统计特性的二进制码序列。在深空通信场合，利用伪随机编码信号可以实现低信噪比接收，大大改善了通信的可靠性，且可实现码分多址通信。此外，利用伪随机编码信号可以实现高性能的保密通信。这些特点正符合GPS系统的技术要求。

根据信号检测理论的普遍结果，在噪声为具有均匀功率谱的白噪声条件下，测距的最佳接收机是一个相关接收机。这种接收方式是用发射信号的复制信号（称为本地信号）和所接收到的信号与噪声之和进行相关计算，然后通过测量相关函数的最大值的位置来确定目标的距离。从相关接收的方式来看，要求测距信号具有类似白噪声的自相关特性。伪随机码测距技术就是这一思想的体现。

用伪随机码测定信号传播延迟，需检测相关输出的极大值。这只能靠逐码位地移动本地码进行检测。考虑到检测是在积分器进行积分之后进行的，积分时间又不宜太短，这样检测到最大相关输出就要花费一定的时间，即需要一定的捕获时间。在事先不知道待测距离及站钟钟差的情况下，码越长，所需要的捕获时间就越长。为了缩短捕获时间，GPS卫星还播发一种短码，即C/A码，也称租码。由于C/A码是采用两个具有良好互相关特性的同码序列构成的戈尔德码族，与P码保持同步，所以在捕获C/A码后，可以很方便地捕获P码4。

组成部分全球定位系统由以下三个部分组成：空间部分(GPS卫星)、地面监控部分和用户部分。GPS卫星可连续向用户播发用于进行导航定位的测距信号和导航电文，并接收来自地面监控系统的各种信息和命令以维持系统的正常运转。地面监控系统的主要功能是：跟踪GPS卫星，对其进行距离测量，确定卫星的运行轨道及卫星钟改正数，进行预报后，再按规定格式编制成导航电文，并通过注入站送往卫星。地面监控系统还能通过注入站向卫星发布各种指令，调整卫星的轨道及时钟读数，修复故障或启用备用件等。用户则用GPS接收机来测定从接收机至GPS卫星的距离，并根据卫星星历所给出的观测瞬间卫星在空间的位置等信息求出自己的三维位置、三维运动速度和钟差等参数。目前,美国正致力于进一步改善整个系统的功能，如通过卫星间的相互跟踪来确定卫星轨道，以减少对地面监控系统的依赖程度，增强系统的自主性。

空间部分GPS卫星

GPS卫星的主体呈圆柱形，两侧有太阳能帆板，能自动对日定向。太阳能电池为卫星提供工作用电。每颗卫星都配备有多台原子钟，可为卫星提供高精度的时间标准。卫星上带有燃料和喷管，可在地面控制系统的控制下调整自己的运行轨道。GPS卫星的基本功能是：接收并存储来自地面控制系统的导航电文；在原子钟的控制下自动生成测距码和载波；并将测距码和导航电文调制在载波上播发给用户；按照地面控制系统的命令调整轨道，调整卫星钟，修复故障或启用备用件以维护整个系统的正常工作。不同型号的卫星的外形也各不相同。

GPS卫星可分为试验卫星和工作卫星两类。各种类型的基本特征如下：

(1)试验卫星

试验卫星也称原型卫星。卫星重774kg(包括310kg的燃料)，设计寿命为5年。为满足方案论证和整个系统试验、改进的需要,美国1978-1985年间从加利福尼亚州的范登堡空军基地用 Atlas火箭先后发射了11颗试验卫星。其中第7颗卫星发射失败，未进入预定轨道。1995年底，最后一颗试验卫星停止工作。

(2)工作卫星

BlockⅡ卫星重约1.5t，设计寿命为7.5年。每颗卫星耗资4800万美元。1989年2月至190年10月间，从佛罗里达州的肯纳维拉尔空间基地用 DeltaⅡ火箭发射了9颗 BlockⅡ卫星。与试验卫星相比，BlockⅡ卫星作了许多改进，卫星可存储14天的导航电文，并具有实施SA和AS的能力。BlockⅡA卫星(A：Advanced)重约17t，卫星设计寿命为7.5年，卫星具备互相通信的能力。卫星存储导航电文的能力增加至180天。SVN35和SVN36卫星上配备了激光反射棱镜,可以通过激光测距来分析卫星钟和卫星星历的误差,检验GPS测距的精度。反射棱镜的大小为24cm×20cm5。

控制部分地面监控部分是由分布在世界各地的五个地面站组成，按功能可分为监测站、主控站和注入站三种。监测站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、气象参数测试仪和计算机等设备，主要任务是完成对GPS卫星信号的连续观测，并将搜集的数据和当地气象观测资料经过处理后传送到主控站。主控站除了协调管理地面监控系统外，还负责将监测站的观测资料联合处理，推算卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将这些数据编制成导航电文送到注入站；另外，它还可以调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行，调度备用卫星，以替代失效的卫星开展工作。注入站的主要任务是将主控站编制的导航电文、计算出的卫星星历和卫星钟差的改正数等，通过直径为3.6m的天线注入相应的卫星。

用户部分用户设备主要由GPS接收机、硬件和数据处理软件、微处理机及终端设备组成；GPS接收机由主机、天线和电源组成。其主要任务是捕获、跟踪并锁定卫星信号；对接收的卫星信号进行处理，测量出GPS信号从卫星到接收机天线间传播的时间；译出GPS卫星发射的导航电文，实时计算接收机天线的三维位置、速度和时间6。

GPS特点GPS是目前成用最为成功的卫星定位系统，被誉为人类定位技术的一个里程碑。归纳起来，系统具有以下特点：

(1)全球，全天候连续不断的导航定位能力。GPS能为全球任何地点或近地空间的各类用户提供连续的、全天候的导航定位能力，用户不用发射信号，因而能满足多用户使用。

(2)实时导航，定位精度高，观测时间短。利用GPS定位时，在1s内可以取得几次位置数据，这种近乎实时的导航能力对于高动态用户具有很大的意义，同时能为用户提供连续的三维位置、三维速度和精确的时间信息。目前利用C/A码的实时定位精度可达20-50m，速度精度为0.1m/s，利用特殊处理可达0.005m/s，相对定位精度可达毫米级。

随着GPS系统的不断完善和软件的不断更新，目前20km以内相对静态定位仅需15-20min，快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站观测时间只需1-2min，然后可随时定位，每站观测只需几秒。

(3)测站无需通视：GPS测量只要求测站上空开阔，不要求测站之间互相通视，因此可节省大量的造标费用（一般造标费用占总经费的30%、50%）。由于无需点间通视，点位位置可根据需要可疏可密，这样就使得选点丁作变得非常灵活，也可省去经典测量中的传算点、过渡点的测量工作，

(4)可提供全球统一的三维地心坐标：GPS测量可同时精确测定测站平面位置和大地高程。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度，另外，GPS定位是在全球统一的WGS-84坐标系统中计算的，刚此全球不同地点的测量成果是相互关联的。

(5)仪器操作简便：随着GPS接收机的不断改进，GPS测量的自动化程度越来越高。在观测巾测量员只需安置仪器，连接电缆线，量取天线高，监视仪器的工作状态，而其他观测工作，如卫星的捕扶，跟踪观测和记录等均由仪器自动完成，结束测量时，仅需关闭电源，收好接收机，便完成了野外数据采集任务，

如果往一个测站上需做长时间的连续观测，还可以通过数据通信方式将所采集的数据传送到数据处理中心，实现全自动化的数据采集与处理。另外，接收机的体积也越来越小，相应的重量也越来越轻，极大地减轻测量作者的劳动强度，使野外工作变得更为轻松。

(6)抗干扰能力强、保密性好：GPS采用扩频技术和伪码技术，用户只需接收GPS信号，自身不会发射信号，出而不会受到外界其他信号源的干扰。

(7)功能多、应用广泛：GPS是军、民两用系统，其应用范围十分广泛。具体的应用实例包括：汽车导航和交通管理、巡线车辆管理、道路工程、个人定位以及导航仪等7。

GPS接收机GPS接收机的主要功能是接收GPS卫星信号并经过信号放大、变频、锁相处理，测定GPS信号从卫星到接收机天线间的传播时间，解释导航电文，实时计算GPS天线所在位置（三维坐标）及运行速度等。GPS接收机是一种被动式无线电定位设备，按不同用途分为导航型接收机、测地型接收机、授时型接收机和姿态测量型接收机；按接收机通道数可以分为多通道接收机、序贯通道接收机和多路复用通道接收机。

GPS接收机主要由GPS接收天线、GPS接收机主机和电源三部分组成。

1．GPS接收机天线

GPS接收机天线由天线单元和前置放大器两部分组成。天线的作用是将GPS卫星信号的微弱电磁波能量转化为相应电流，并通过前置放大器将接收到的GPS信号放大。

2．GPS接收机主机

接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存储器和显示器组成。变频器的主要任务是使接收到的L频段射频信号变成低频信号。信号通道是软硬件结合的电路，是接收机的核心部分，其作用是搜索、牵引并跟踪卫星，对广播电文信号进行解扩、解调成为广播电文，进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频移测量。存储器用于存储一小时一次的卫星星历、卫星历书、接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及多普勒频移。微处理器是GPS接收机工作的核心，GPS接收机的工作都是在微机指令的统一协同下进行的。GPS接收机都有液晶显示屏，以提供GPS接收机的工作信息，并配有一个控制键盘，以便用户控制接收机的工作。

3．GPS接收机电源

GPS接收机电源有两种，一种为内电源，一般采用锂电池，主要对RAM存储器供电；另一种为外接电源，常用可充电的12V直流镍镉电池组6。

GPS接收机分类

GPS接收机按照不同的分类标准，可以分为不同类型。

(1)按工作原理划分，可分为码相关型接收机、平方型接收机和混合型接收机。码相关型接收机能够产生与所测卫星测距码结构完全相同的复制码，利用的是C/A码或P码，条件是掌握测距码结构。平方型接收机利用载波信号的平方技术去掉调制码，获得载波相位测量所必需的载波信号，该机只利用卫星信号，无须解码，不必掌握测距码结构，又称无码接收机。混合型接收机综合利用了码相关技术和平方技术的优点，同时获得码相位和精密载波相位观测量，目前广泛使用。

(2)根据接收机信号通道类型划分，可分为多通道接收机、序贯通道接收机及多路复用通道接收机。多通道接收机具有多个卫星信号通道，每个通道只连续跟踪一个卫星信号，也称连续跟踪型接收机。序贯通道接收机只有1-2个信号通道，为了跟踪多个卫星，在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测，依次量测一个循环所需时间较长（大于20 m/s），对卫星信号的跟踪是不连续的。多路复用通道接收机与序贯通道接收机相似，也只有1-2个信号通道，在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测，依次量测一个循环所需时间较短（小于20 m/s），可保持对卫星信号的连续跟踪。

(3)根据所接收的卫星信号频率划分，可分为单频接收机和双频接收机。单频接收机( L1)只接收调制的L1信号，虽然可利用导航电文提供的参数，对观测量进行电离层影响修正，但由于修正模型尚不完善，精度较差，主要用于小于20 km的短基线精密定位。双频接收机( L1+L2)同时接受L1和L2两种信号，利用双频技术，可消除或减弱电离层折射对观测量的影响，定位精度较高。按信号频率对卫星信号进行划分是使用较多的类型。

(4)按接收机用途划分，可分为导航型、测量型和授时型。导航型主要用于确定船舶、车辆、飞机等运载体的实时位置和速度，保障按预定路线航行或选择最佳路线，其采用测码伪距为观测量的单点实时定位或差分GPS定位，精度低，结构简单，价格便宜，应用广泛。测量型接收机采用载波相位观测量进行相对定位，精度高，观测数据可测后处理或实时处理( RTK)，需配备功能完善的数据处理软件，与导航型相比，结构复杂，价格昂贵。授时型接收机主要用于天文台或地面监控站，进行时频同步测定。

接收机工作原理

天线的基本作用是把来自于卫星信号的能量转化为相应的电流，并经前置放大器进行频率变换，以便对信号进行跟踪、处理和量测。

当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能，以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的i维位置，甚至三维速度和时间。GPS信号接收机不仅需要功能较强的机内软件，而且需要一个多功能的GPS数据测后处理软件包。接收机加处理软件包，才是完整的GPS信号用户设备。

接收设备的误差

接收设备误差主要包括观测误差、接收机钟差、载波相位观测的整周不确定性影响和天线相位中心误差。

(1)观测误差。除分辨误差外，还包括接收天线相对测站点的安置误差。分辨误差一般认为约为信号波长的1%。安置误差主要有天线的置平与对中误差和量取天线相位中心高度（天线高）误差。例如当天线高1.6 m，置平误差0.10，则对中误差为2.10 mm。

(2)接收机钟差。GPS接收机一般设有高精度的石英钟，日频率稳定度为10-11。如果接收机钟与卫星钟之间的同步差为1s，则引起的等效距离误差为300 m。处理接收机钟差的方法有作为未知数，在数据处理中求解；利用观测值求差方法，减弱接收机钟差影响；定位精度要求较高时，可采用外接频标，如铷、铯原子钟，提高接收机时间标准精度。

(3)载波相位观测的整周未知数。无法直接确定载波相位相应起始历元在传播路径上变化的整周数。同时存在因卫星信号被阻挡和受到干扰，而产生信号跟踪中断和整周变跳。

(4)天线相位中心位置偏差。GPS定位中，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准，在理论上，天线相位中心与仪器的几何中心应保持一致，实际中，其随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，同时与天线的质量有关，可达数毫米至数厘米。如何减小相位中心的偏移，是天线设计的一个迫切问题8。

四大导航美国全球定位系统美国的全球定位系统( GPS)是20世纪70年代由美国陆、海、空三军联合研制的新型空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通信等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成部分。经过20余年的研究试验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星全部布设完成。

GPS是一个全球性、全天候、全天时、高精度的导航定位和时间传递系统。作为军民两用系统，提供两个等级的服务。近年来，美国政府为了加强其在全球导航市场的竞争力，撤销对GPS的SA干扰技术，标准定位服务定位精度双频工作时实际可提高到20m、授时精度提高到40ns，以此抑制其他国家建立与其平行的系统，并提倡以GPS和美国政府的增强系统作为国际使用的标准。

美国的全球定位系统包括绕地球运行的27颗卫星（24颗运行、3颗备用），它们均匀地分布在6个轨道上。每颗卫星距离地面约1.7万公里，能连续发射一定频率的无线电信号。只要持有便携式信号接收仪，则无论身处陆地、海上还是空中，都能收到卫星发出的特定信号。接收仪中的计算机只要选取4颗或4颗以上卫星发出的信号进行分析，就能确定接收仪持有者的位置。GPS除了导航外，还具有其他多种用途，如科学家可以用它来监测地壳的微小移动，从而帮助预报地震；测绘人员利用它来确定地面边界；汽车司机在迷途时通过它能找到方向；军队依靠它来保证正确的前进方向9。

欧盟“伽利略”系统欧盟Calileo系统是世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统，是欧盟为了打破美国的GPS在卫星导航定位这一领域的垄断而开发的全球导航卫星系统，有欧洲版“GPS”之称。

2010年1月7日，欧盟委员会称，Galileo系统将从2014年起投入运营，耗资30亿欧元，韩国、中国、日本、阿根廷、澳大利亚、俄罗斯等国都参与了该计划，当初的目标完成时间是2008年，但由于技术等各种原因，进展十分缓慢，原定关键计划时间节点一拖再拖，最新消息延长到了2014年。Galileo计划的目标是建设独立的、全球性的民用导航和定位系统，中国也向Galileo计划投资了296万美元。Galileo系统将为欧盟成员国和中国的公路、铁路、空中和海洋运输甚至徒步旅行者有保障地提供精度为Im的定位导航服务，从而也将打破美国独霸全球卫星导航系统的格局。

Galileo系统采用了性能极为先进的新技术，保持了系统的独立性，又考虑了与其他卫星导航系统(重点考虑的是GPS的兼容性和互操作性。

Galileo系统主要由三大部分组成：空间星座部分、地面监控与服务设施部分以及用户设备部分。

空间星座部分是由分布在三个轨道上的30颗中高度圆轨道卫星构成，卫星分布在三个高度为23616km，倾角为56度的轨道上，每个轨道有9颗工作卫星外加颗备用卫星，备用卫星停留在高于正常轨道300km的轨道上，能使任何人在任何时间、任何地点准确定位，误差不超过3m。Galileo星座具有较好的DOP值分布特性，定位精度也优于GPS定位精度。地面监控与服务设施部分包括两个位于欧盟的伽利略控制中心( Galileo Control Center)和20个分布在全球的伽利略传感器站( Galileo Sensor Station)。除此之外，还有实现卫星和控制中心进行数据交换的5个S波段上行站和10个C波段下行站，伽利略控制中心主要控制卫星的运转和导航任务的管理。20个传感器站通过冗余通信网络向控制中心传送数据。用户设备部分主要由导航定位模块和通信模块组成。

Galileo系统可以发送实时的高精度定位信息，这是现有的卫星导航系统所没有的，同时Galileo系统能够保证在许多特殊情况下提供服务，如果失败也能在几秒钟内通知客户。与美国的GPS相比，Galileo系统更先进，也更可靠。美国GPS提供的卫星信号，只能发现地面约10m长的物体，而Galileo系统的卫星则能发现1m长的目标。一位军事专家形象地比喻说，GPS只能找到街道，而Galileo系统则可找到家门。

俄罗斯“格洛纳斯”系统俄罗斯GLONASS最早开发于苏联时期。1993年，俄罗斯开始独自建立本国的全球卫星导航系统，原计划2007年年底之前开始运营，2009年年底之前将服务范围拓展到全球，但由于资金等各种原因，系统仍在持续进行阶段。GLONASS至少需要18颗卫星才可以为俄罗斯全境提供定位和导航服务，如果要提供全球服务，则需要24颗卫星在轨工作，另有6颗卫星在轨备用。据俄罗斯官方报道，该系统完全建成后，其定位和导航误差范围仅为23m，就精度而言将处于世界领先水平。

GLONASS与GPS类似，也由空间星座部分、地面监控部分以及用户设备部分组成。空间星座部分主要由2-4颗卫星组成，均匀分布在三个近圆形的轨道面上，每个轨道面有8颗卫星，轨道高度19100km，运行周期11h15 min，轨道倾角比GPS略大，为64. 8度。地面监控部分以及用户设备部分均与GPS差不多。

目前，GLONASS与GPS最主要的不同之处是信号结构不同。GLONASS采用的是频分多址( FDMA)技术，即在不同的载波频率上用相同的码来广播导航信号。GLONASS由各自的轨道信号频率区分，有24个间隔点，以1-24命名。而GPS采用的是码分多址( CDMA)技术，所有GPS卫星的载波频率是相同的，均由各自的伪随机码( PRN)区别开来，它的伪随机码1-32，使用其中的24个。最近，俄罗斯官方宣布，在新一代GLONASS-M卫星中将增加CDMA信号（1575. 42MHz和1176. 45 MHz，分别对应GPS的L1和L5载波信号），同时增加卫星数量，扩展地面增强系统，升级地面控制和完整性监测，以拓展市场，从而满足更多用户的需要10。

我国北斗卫星导航系统我国的北斗卫星导航系统BeiDou(COMPASS)navigation satellite system(CNSS)。我国建立的自主发展、独立运行的全球卫星导航与通信系统。与美国GPS、俄罗斯格罗纳斯、欧盟伽利略系统并称全球四大卫星导航系统。

北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。空间端包括3颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，30颗非静止轨道卫星又细分为27颗中轨道(MEO)(含3颗备份卫星)卫星和3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星组成，27颗MEO卫星平均分布在倾角55度的三个平面上，轨道高度21500km．地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户端包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。北斗卫星导航系统可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，并兼具短报文通信能力。北斗卫星导航系统的建设目标是建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠及覆盖全球的卫星导航系统。北斗卫星导航系统提供开放服务(open service)和授权服务(authorization service)两种服务，其中开放服务是向全球用户免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10m，测速精度0．2m/s，授时精度50ns；授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。北斗导航终端与GPS、GAL．ILEO和GLONASS相比，优势在于短信服务和导航结合，增加了通信功能；全天候快速定位，极少的通信盲区，精度与GPS相当，而在增强区域即亚太地区，精度甚至会超过GPS；向全世界提供的服务都是免费的，在提供无源导航定位和授时等服务时，用户数量没有限制，且与GPS兼容；自主系统，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用11。

实际运用全球定位系统一般主要是指GPS，尽管俄罗斯、欧洲及中国也纷纷建立自身的全球定位系统，但就技术而言，美国建立的GPS技术处于先进地位。本节所指的定位系统应用主要依据是GPS的应用，我们相信在不久的将来，其他定位系统也将发挥自身的作用，同样也能实现相应领域的应用。

(1)精密工程、测量及变形监测中的应用

将应用GPS卫星定位技术建立的控制网叫GPS网，GPS网分为两大类，一类是全球或全国性的高精度GPS网；一类是区域性的GPS网。大地测量的科研任务是研究地球形状及其随时间的变化，利用全球覆盖的高精度GPS网建立起高精度的动态坐标框架。区域GPS网是指国家C、D、E级GPS网或专为工程项目布测的工程GPS网。

(2)交通系统中的应用

对当前位置的定位以及对目标物的定位是地面车辆导航系统的两个关键技术。前者需要GPS获取点位根据，而后者则偏重以数字地图为基础，确定点位置，这实际上是一个地图相关分析的问题。

随着我国城市建设规模的扩大，车辆日益增多，交通运输的经营管理和合理调度，警用车辆的指挥和安全管理已成为公安、交通系统的一个重要问题。GPS导航定位技术的出现给车辆、轮船等交通工具的导航定位提供了具体的实时的定位能力。用于公安、交通系统的主要有：车辆GPS定位与无线电通信系统相结合的指挥管理系统；应用GPS差分技术的指挥管理系统。GPS车辆导航应用范围很广，如运输线路导航、突发事件车辆导航、车辆派遣等一一般地，智能型车辆和高速公路系统根据其功能可以分为4种：自动式系统、车队管理系统、咨询型导航系统和普查型系统。车队管理系统可对多辆车进行操作，并设有捌度中心；咨询型导航系统融合自动式系统和车队管理系统；普查型系统通常由自动式车辆加载摄像机或数字式的照相机组成，可用于获取时间、点位特性的道路信息，

(3)地球动力学中的应用

用GPS来监测全球和区域板块运动，监测区域地壳运动，对地球成因及动力机

制的研究。研究地下断层活动模式、应力场变化，对地震危险值估计和预报。为了进行我国地壳形变监测，由地震局、总参测绘局、国家测绘局、中国科学院承担的“九五”重大科学工程项目“中同地壳运动监测网络工程”已于2000年建成。武汉测绘科技大学利用云南滇西两期GPS监测资料，反演红河断裂带低下断层活动模式，对1996年云南丽江地震作了较为准确的中期预报，其位置误差为27 km，震源深度误差为0-6 km．震级完全准确，揭示了用GPS监测资料做中期地震预报的可能性。

(4)气象学中的应用

利用GPS理论和技术来遥测地球大气、进行气象学的理论和方法研究称为GPS气象学( GPSIMET)i GPS气象学的研究始于20世纪10年代后期，最先在美国起步，在美国取得理想的试验结果后，在其他国家如日本也逐步开始GPS在气象中的应用。GPS/MET探测数据具有覆盖范围广（全球）、高垂直分辨率、高精度和高长期稳定的特点。

地球的大气相当于一个透镜，电磁波信号（如载波）在大气中的传输路径将因大气折射而发生曲折，气体密度越大，信号折射越强烈，波传输越慢，低轨GPS接收机接收到经折射的信号，可计算出综合信号折射率。经过适当的转换，电磁波的折射路径在各层大气中的垂直结构可以重构。无线电采用微波转换器由GPS卫星向接收机发射信号，传播中需经过某种介质，研究信号传输的性质就可以探清陔介质的性质。大气中有3种GPS信号折射源，即干燥物、水气和电离层物质。

(5)军事中的应用

军事上可用于协同作战、导弹的制导、搜索及救援人员野外定位。协同作战方面，GPS可为各级指挥系统提供各种目标及事件所发生的时间和地点。导弹的制导方面，美伊战争70%左右使用GPS辅助制导，使战斧式巡航导弹从l 600 km的地方准确打击一个小房子的日标。搜索及救援人员野外定位方面，在茫茫的沙漠上，没有任何标志，主要靠导航卫星进行定位，才能知道自己在什么地方。

(6)农业中的应用

GPS系统在精细农业实施过程中异常重要：能对农田各种信息给予精确定位，包括对农机车辆导航、平地、精确播种、喷药、撒肥、数据管理以及作物活力检测和变量控制。精准农业中较为成熟的、效益较好的应用包括：自动驾驶、施肥、喷药和播种等。GPS对于土壤养分分布调查、检测作物产量和农田管理在效率、准确率上比人的管理高很多；在联合收割机上配置监视器和GPS接收机，构成作物产量监视系统；通过和土壤养分含量分布罔的综合分析，可以找出影响作物产量的相关因素，从而进行具体的田间施肥等管理工作。利用棕色土壤和绿色作物叶子反射光波波长的差

可辨别土壤、作物和杂草。利用反射光波的差别，鉴别缺乏营养或感染病虫害的作物叶子。施加除草剂有两种方法，①利用杂草检测传感器，采集田间杂草信息，通过变量喷洒设备的控制系统，控制除草剂的喷施量；②事先用杂草传感器绘制出田间杂草斑块分布图，由电子地图输出处方，通过变量喷药机械实施。

(7)野生动物保护中的应用

美国土地管理局于20世纪10年代中叶开发了基于GPS的地理信息系统( Geographic Information System，GIS)，美国土地局分季度收集一次野生动物资源的有关信息，如生态条件以及野生动物栖息地分布、野生动物数量等。美国西部生活着数以万计的野马和野牛。建立野生动物管理系统，其主要目的在于：采用声音录入代替旧的手工输入方法；能显示当前和历史的飞行路线，对野生动物分布进行精确定位。实际工作中，在飞机或车辆上安装该系统，在空中寻找野生动物，用声音录入方式记录有关信息，GPS点位数据自动存储到数据库中。必要时可以按照历史航线进行不同时期的对比分析，结合现时与历史资料可以进行野生动物活动区域的动态监测。

(8)在突发事件中的应用

对突发事件的反应时间长短某种程度上影响了事件的损失程度。在突发事件如医疗、火警、交通事故的快速反应中.GPS和GIS起到决定性作用。一般地，建立突发事件救助系统可大致包括：①车载部分．，载有GPS设备，通过适当软件处理，获得地理坐标；②通信系统。采用双通道蜂窝通信网，事件发生后，驾驶人员启动求助系统，请求帮助种类（报警、医疗等）及伤害程度等；③处理中心。可接收用户信号，在GIS的辅助下，迅速对事发地点进行查询、定位，并根据用户提供的求助信息类别，确定相应的急救措施。GIS包括数字化的地图和属性信息，可以进行突发事件的发生地点在数字地图上的查询和定位以及调度人员对最短路线的选择，GPS则可以使急救车辆的点位等信息及时反馈到主控中心，以便调度。

(9)旅游中的应用

随着人们生活质量的提高，GPS服务逐步应用到私人旅游及野外考察中，到风景秀丽的地区去旅游，到原始大森林、雪山峡谷或者大沙漠地区去进行野外考察，安装于车内的GPS接收机将充分发挥其全球定位的功能成为驾驶者最忠实的向导。在驱车游览风景的途中，乘车者可以随时知道车辆所在位置及行走速度和方向，从而避免迷失路途。即使在途中出现麻烦，GPS监控服务中心会及时提供指示、连接最近的救援机构，积极采取行动。通过GPS监控中心提供的友情远程服务，即使乘车者车行万里，仍不失在家的感觉。提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要辅助功能，包括自动线路规划和线路设计。自动线路规划由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线包括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的路线等的计算。人工线路设计是由驾驶者根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等，自动建立线路库。

全球定位系统的应用还包括航空摄影测量，线路勘测及隧道贯通测量，地形、地籍及房地产测量，海洋测绘，工程施工测量、大桥施工控制网建立、海上勘探平台沉降监测、大桥动态实时形变监测、高层建筑实时变形监测。GPS更高效的服务将在生产、生活中的各个领域得到应用12。

GPS在物流领域的应用主要体现在以下方面：

1．货物跟踪GPS计算机信息管理系统可以通过GPS和计算机网络实时收集全路列车、机车、车辆、集装箱及所运货物的动态信息，实现对陆运、水运货物的跟踪管理。只要知道货车的车型、车号或船舶的编号就可以立即从铁路网或水运网中找到该货车或船舶，知道它们所处的位置，距离运输目的地的里程以及所有装运货物的信息。运用这项技术可以大大提高运营的精确性和透明度，为货主提供高质量的服务。

2．与地理信息系统( GIS)结合解决物流配送。物流包括订单管理、运输、仓储、装卸、送递、报关、退货处理、信息服务及增值业务。全过程控制是物流管理的核心问题。供应商必须全面、准确、动态地把握散布在全国各个中转仓库、经销商、零售以及汽车、火车、飞机、轮船等各种运输环节之中的产品流动状况，并据此制订生产和销售计划，及时调整市场策略。因此，对大型供应商而言，没有全过程的物流管理就谈不上建立有效的分销网络；对于大型连锁零售商而言，没有全过程的物流管理就谈不上建立供应配送体系；对于第三方物流服务商、仓储物流中心，没有面向全过程的物流管理服务就很难争取到客户的物流业务；对于普通用户而言，没有快速、准确、安全、可靠的物流配送服务，网上采购几乎是不可想象的。物流配送的过程主要是货物的空间位置转移的过程，在物流配送过程中，要涉及货物的运输、仓储、装卸、送达等业务环节，对各个环节涉及的问题如运输路线的选择、仓库位置的选择、仓库容量设置、合理装卸策略、运输车辆调度和投递路线选择等进行有效管理和决策分析，有助于物流配送企业有效地利用现有资源、降低消耗、提高效率。事实上，仔细分析上述各个环节存在的问题就可以发现，上面的问题都涉及地理要素和地理分布。凡是涉及地理分布的领域都可以应用GIS技术，GPS/GIS技术是全过程物流管理中不可缺少的组成部分13。

本词条内容贡献者为:

闫晓东 - 副教授 - 中央民族大学信息工程学院