摘要GPS是随着现代科学技术的迅速发展而建立起来的新一代精密卫星导航定位系统，具有定位精度高、观测时间短、观测站间无需通视、能提供全球统一的地心坐标等特点。

本文概述了GPS定位系统的发展，介绍了GPS定位系统的组成、工作原理及GPS在汽车导航和交通运输、军事和医学上的应用等关键词：GPS定位系统 GPS接收机 GPS定位原理1 GPS概述1.1 GPS概念GPS是英文GlobalPositioningSystem（全球定位系统）的简称， GPS是随着现代航天及无线电通讯科学技术的发展建立起来的一个高精度、全天候和全球性的无线电导航定位、定时的多功能系统。

GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代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、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。

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卫星星座己布设完成。

通过硬件和软件做成GPS定位终端用于车辆定位的时候，称为车载GPS。

1.2 GPS系统的组成GPS系统包括以下三大部分：（1）GPS卫星（空间部分）；（2）地面支撑系统（地面监控部分）；（3）GPS接收机（用户部分）。

GPS系统利用无线电传输特性来定位。

和过去地面无线导航系统所不同的是，它由卫星来发射定时信号、卫星位置和健康状况信息，故具有发射信号能覆盖全球和定位精度高的优点。

系统中所有卫星构成GPS系统的空间部分。

卫星由地面站（地面监控部分）监测和控制，它监测卫星健康状况和空中定位精度。

定时向卫星发送控制指令、轨道参数和时间改正数据。

用户装有GPS接收机，用来接收卫星发来的信号。

GPS接收机中装有专用芯片，用来根据卫星信号计算出定位数据。

用户并不需要给卫星发射任何信号，卫星也不必理会用户的存在，故系统中用户数量没有限制。

具有GPS接收机的用户就构成系统的用户部分。

1.2.1 GPS空间部分GPS空间部分主要由24颗GPS卫星构成，其中21颗工作卫星，3颗备用卫星。

24颗卫星运行在6个轨道平面上，运行周期为12个小时。

保证在任一时刻、任一地点高度角15度以上都能够观测到4颗以上的卫星。

主要作用：发送用于导航定位的卫星信号。

构成：24颗卫星=21颗工作卫星+3颗备用卫星1.2.2 GPS地面监控部分GPS控制部分由1个主控站，5个检测站和3个注入站组成。

组成：GPS控制部分=主控站（1个）+监测站（5个）+注入站（3个）作用：监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文），保持系统时间。

主控站：从各个监控站收集卫星数据，计算出卫星的星历和时钟修正参数等，并通过注入站注入卫星；向卫星发布指令，控制卫星，当卫星出现故障时，调度备用卫星。

监控站：接收卫星信号，检测卫星运行状态，收集天气数据，并将这些信息传送给主控站。

注入站：将主控站计算的卫星星历及时钟修正参数等注入卫星。

分布情况：主控站：位于美国科罗拉多州（Calorado）的法尔孔（Falcon）空军基地。

注入站：阿松森群岛（Ascendion）,大西洋；迭戈加西亚（Diego Garcia）,印度洋；卡瓦加兰（Kwajalein），东太平洋。

监控站：1个与主控站在一起；3个与注入站在一起；另外一个在夏威夷（Hawaii）,西太平洋。

1.2.3 GPS用户部分GPS用户设备部分包含GPS接收器及相关设备。

GPS接收器主要由GPS 芯片构成。

如车载、船载GPS导航仪，内置GPS功能的移动设备，GPS测绘设备等都属于GPS用户设备。

组成：主要为GPS接收器作用：接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备，GPS系统的消费者。

GPS定位是目前最为精确、应用最为广泛的定位导航技术，以后将会成为每一个移动设备的标配之一。

现在的中高端只能手机，有相当一部分已经配备了GPS硬件。

那么针对GPS定位的开发技术也将成为一项主流常规技术。

本文目的在于让准备进行GPS定位开发的编程人员对于GPS有一个大致的了解，这对于编程可能没有什么直接的帮助，但是我想了解一下GPS的大致工作原理，在编程过程中就能够对GPS设备的工作特性有一个感性的认识，这对于开发还是有很大间接好处的。

2 GPS的工作原理及数据解算2.1 GPS 的工作原理GPS的工作原理，简单地说来，是利用我们熟知的几何与物理上一些基本原理。

首先我们假定卫星的位置为已知，而我们又能准确测定我们所在地点A至卫星之间的距离，那么A点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的圆球上。

进一步，我们又测得点A至另一卫星的距离，则A点一定处在前后两个圆球相交的圆环上。

我们还可测得与第三个卫星的距离，就可以确定A点只能是在三个圆球相交的两个点上。

根据一些地理知识，可以很容易排除其中一个不合理的位置。

当然也可以再测量A点至另一个卫星的距离，也能精确进行定位。

2.2 GPS位置数据解算可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。

然而，由于用户接受机使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，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。

所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。

根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。

假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：上述四个方程式中待测点坐标x、y、z 和Vto为未知参数，其中di=c△ti(i=1、2、3、4)。

di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。

△ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。

c为GPS信号的传播速度（即光速）。

四个方程式中各个参数意义如下：x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。

xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。

Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。

Vto为接收机的钟差。

由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差Vto 。

GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。

3 GPS在各领域的应用3.1 GPS 在汽车导航和交通中的应用三维导航是GPS的首要功能，飞机、船舶、地面车辆以及步行者都可利用GPS导航接收器进行导航。

汽车导航系统是在全球定位系统GPS基础上发展起来的一门新型技术。

汽车导航系统由GPS导航、自律导航、微处理器、车速传感器、陀螺传感器、CD—ROM驱动器、LCD显示器组成。

GPS导航是由GPS接收机接收GPS卫星信号（三颗以上），求出该点的经纬度坐标、速度、时间等信息。

为提高汽车导航定位精度，通常采用差分GPS 技术。

当汽车行驶到地下隧道、高层楼群、高速公路等遮掩物而与捕获不到GPS 卫星信号时，系统可自动导入自律导航系统，此时由车速传感器检测出汽车的行进速度，通过微处理单元的数据处理，从速度和时间中直接算出前进的距离，陀螺传感器直接检测出前进的方向，陀螺仪还能自动存储各种数据，即使在更换轮胎暂时停车时，系统也可以重新设定。

由GPS卫星导航和自律导航所测到的汽车位置坐标数据、前进的方向都与实际行驶的路线轨迹存在一定误差，为修正这两者的误差，与地图上的路线统一，需采用地图匹配技术，加一个地图匹配电路，对汽车行驶的路线与电子地图上道路误差进行实时相关匹配作自动修正，此时地图匹配电路是通过微处理单元的整理程序进行快速处理，得到汽车在电子地图上的正确位置，以指示出正确行驶路线。

CD-ROM用于存储道路数据等信息，LCD显示器用于显示导航的相关信息。

GPS导航系统与电子地图、无线电通信网络及计算机车辆管理信息系统相结合，可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能，这些功能包括：1车辆跟踪利用GPS和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置，并任意放大、缩小、还原、换图；可以随目标移动，使目标始终保持在屏幕上；还可实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪。

利用该功能可对重要车辆和货物进行跟踪运输。

2提供出行路线规划和导航提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要辅助功能，它包括自动线路规划和人工线路设计。

自动线路规划是由驾驶者确定起点和目的地，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。

线路规划完毕后，显示器能够在电子地图上显示设计线路，并同时显示汽车运行路径和运行方法。

3信息查询为用户提供主要物标，如旅游景点、宾馆、医院等数据库，用户能够在电子地图上根据需要进行查询。

查询资料可以文字、语言及图象的形式显示，并在电子地图上显示其位置。

同时，监测中心可以利用监测控制台对区域内的任意目标所在位置进行查询，车辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图上显示出来。

3.2 GPS 在军事上的应用1 GPS是作航空航海陆上，导弹的定位用的导航系统在信息化时代，GPS已成为高技术战争的重要支持系统。

它极大地提高了美军的指挥控制、多军兵种协同作战和快速反应能力，大幅度地提高了武器装备的打击精度和效能。

具体说来，GPS在军事上的应用主要有以下几个方面：全时域的自主导航。

GPS的主要功能就是自主导航，利用接收终端向用户提供位置、时间信息，也可结合电子地图进行移动平台航迹显示、行驶线路规划和行驶时间估算，从而大大提高部队的机动作战和快速反应能力。

2 各种作战平台的指挥监控GPS的导航定位和数字短报文通信基本功能可以有机结合，利用系统特殊的定位体制，将移动目标的位置信息和其他相关信息传送至指挥所，完成移动目标的动态可视化显示和指挥指令的发送，实现战区移动目标的指挥监控。

3 精确制导和打击效果评估GPS制导有精度高、制导方式灵活等特点，已成为精确制导武器的一种重要制导方式。

在近几场高技术局部战争中，美军使用精确制导导弹和炸弹的比例比海湾战争时增加了近100倍，而它们全部或大部分都依靠GPS制导。

GPS还可以对打击目标命中率进行评估。