全球定位系统的组成及应用基础

GPS由三大部分组成，即空间星座部分、地面监控部分和用户接收部分。目前商用的GPS接收机主要有精度较高的差分式GPS和精度较低的手持式GPS两种，但已出现了带GPS功能的手机。

为了满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切需要，1973年美国国防部便开始组织海陆空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统，即“授时与测距导航系统/全球定位系统”（Navigation System Timing and Ranging /Global Position System-NAVSTAR/GPS），简称为全球定位系统（GPS）。和其它导航系统相比，GPS是一种能提供高精度、实时、全天候和全球性三维坐标、三维速度和时间信息的导航、定位系统。

GPS由三大部分组成，即空间星座部分、地面监控部分和用户接收部分。

空间卫星星座（图2-7），由均匀分布在6个等间距轨道上的24颗卫星组成。轨道之间的夹角为60°，轨道平均高度为20183km，卫星运行周期为11小时58分。GPS卫星在空间上的这种配置，使用户在地球上任何地点、任何时间至少可以同时接收到4颗卫星的定位数据，这是保证GPS定位精度的基本条件。

地面监控部分，由分布在全球的5个地面站组成，其中包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。主控站的主要作用是收集各监测站测得的伪距、卫星时钟和工作状态等综合数据，计算各卫星的星历、时钟改正、卫星状态、大气传播改正等，然后将这些数据按一定的格式编写成导航电文，并传送到注入站。注入站的主要任务是接收地面监控系统注入的导航电文，并注入到卫星的存储系统。监测站负责为主控站编算导航电文提供观测数据。

用户接收部分的基本设备是GPS信号接收机，其作用是接收、跟踪、变换和测量GPS卫星所发射GPS信号，以达到导航和定位的目的。

GPS的定位方式分为静态定位和动态定位两种类型。如果在定位时，接收机的天线在跟踪GPS卫星的过程中，位置处于固定不动的静止状态，这种定位方式称为静态定位。这时接收机高精度地测量GPS信号和传播时间，根据GPS卫星的已知瞬间位置，算得固定不动的接收机天线的三维坐标。由于接收机的位置固定不动，就有可能进行大量的重复观测，所以静态定位可靠性强，定位精度高，在大地测量中得到了广泛应用，是精密定位中的基本模式。如果在定位过程中，接收机位于运动着的载体，天线也处于运动状态，这种定位方式称为动态定位。动态定位是用GPS信号实时测定运动载体的位置。定位精度有高（0.5m左右）、中（5m左右）和低（20m左右）精度等几种。目前在飞机、轮船、车辆上广泛应用的导航，就是一种广义上的动态定位，它除了能测定动点的实时位置外，一般还能测定运动载体的状态参数，如速度、时间和方位等。

GPS定位技术可应用于测量工程，其具有自动化、全天候、高精度的明显优势。和经典大地测量相比表现在：（1）观测站之间无需通视。保持良好的通视条件和测量控制网的良好结构，一直是经典测量技术在实践方面的困难问题之一。GPS测量不要求观测站之间相互通视，因而不再需要建造觇标。这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间，同时也使点位的选择变得更为灵活；（2）定位精度高。随着观测技术和数据处理方法的改善，可望在大于1000km的距离上，相对定位精度达到或优于10-8；（3）提供三维坐标。GPS测量在精确测量观测站平面位置的同时，可以精确测定其大地高程，从而为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径；（4）操作简便；（5）全天候作业。GPS工作可以在任何地点，任何时间连续进行，一般也不受天气状况的影响。因此，GPS定位技术的应用是传统测量工作的一场重大变革。

目前，除了在军事方面的应用（如美对伊的伊拉克战争中，GPS精确制导，大显神威）之外，GPS已广泛应用于科研和生产实践，特别是测绘和地学领域。利用GPS可进行全球性的动态参数测量和全国性大地控制网的测量；建立陆地海洋大地测量基准，进行海岛与陆地连测定位，实现海洋国土的精确划界，监测地球现代板快运动，监测地球固体潮、地极移动、地壳变形、地球自转速度变化、海平面变化，测定航空航天摄影瞬时相机位置，工程项目建设等。

目前商用的GPS接收机主要有精度较高的差分式GPS和精度较低的手持式GPS两种，但已出现了带GPS功能的手机。