GPS导航系统原理及应用
一、概述
全球卫星导航系统是指具有全球导航定位能力的卫星定位导航系统（Global Navigation Satellite System），简称为GNSS。目前已有的卫星导航系统包括美国的全球卫星定位系统（GPS）、俄罗斯的全球卫星导航系统（GLONASS）、正在发展研究的有欧盟的GALILEO系统、中国北斗卫星导航广域增强系统等。
全球定位系统（GPS）是众多卫星导航系统之一，GPS（Global Positioning System）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。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。GPS具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。
GPS主要利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。至今，GPS技术在大地测量
、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了广泛的应用，在物探测量工作中广泛普及及应用。对于物理点的放样已经不再仅仅是采用测角和量距，而是借助GPS导航卫星信号来确定地面点的准确位置。
随着GLONASS系统、GALILEO系统以及中国的北斗系统逐步组网运营，综合各大导航系统的多星系统接收机逐步替代了先前的GPS定位的单一系统，其作业效率、定位精度、定位的稳定性与可靠性都得到了大幅度的改善。
1957年10月4日，前苏联成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星后，人们就开始利用卫星进行定位和导航的研究，人类的空间科学技术研究和应用跨入了一个崭新的时代，世界各国争相利用
二、卫星定位技术的发展
人造地球卫星为军事、经济和科学文化服务。同时，卫星定位技术在大地测量学的应用也取得了惊人的发展，迅速跨入了一个崭新的时代。
（一）早期的卫星定位技术
卫星定位技术是指人类利用人造地球卫星确定测站点位置的技术。卫星大地测量就是利用人造地球卫星为大地测量服务的一门学科。它的主要内容是在地面上观测人造地球卫星，通过测定卫星位置的方法，来解决大地测量任务，例如测定地面点的相对位置，测定地球的形状和大小等。
早期，人造地球卫星仅仅作为一种空间观测目标，由地面上的观测站对卫星的瞬间位置进行摄影测量，测定测站点至卫星的方向，建立卫星三角网。同时也可利用激光技术测定观测站至卫星的距离，建立卫星测距三角网。通过这两种观测方法，均可以实现地面点的定位，也能进行大陆同海岛的联测定位，解决了常规大地测量难以实现的远距离联测定位问题，这是常规定位技术望尘莫及的。
1966至1972年期间，美国国家大地测量局在英国和联邦德国测绘部门的协作下，用卫星三角测量方法测设了一个具有45个测站点的全球三角网，获得了±5m的点位精度。然而，由于卫星三角测量受天气和可见条件影响，观测和成果换算需耗费大量的时间，同时定位精度不甚理想，并且不能得到点位的地心坐标。因此，卫星三角测量技术成为一种过时的观测技术，很快就被卫星多普勒定位技术所取代。
（二）卫星多普勒定位系统
1958年12月，美国海军武器实验室和詹斯·霍普金斯（Johns Hopkins）大学物理实验室为了给美国海军“北极星”核潜艇提供全球性导航，开始研制一种卫星导航系统，称之为美国海军导航卫星系统（Navy Navigation Satellite System），简称NNSS系统。在这一系统中，由于卫星轨道面通过地极，所以又被称为子午卫星导航系统。1959年9月美国发射了第一颗实验性卫星，到1961年11月，先后发射了9颗试验性导航卫星。经过几年实验研究，解决了卫星导航的许多技术问题。从1963年12月起，陆续发射了由6颗卫星组成的子午卫星星座，1964年该系统建成并投入使用。该系统轨道接近圆形，卫星高度为1100Km，轨道倾角为90°左右，周期约为107min，在地球表面上的任何一个测站上，平均每隔2h便可观测到其中一颗卫星。
卫星多普勒定位系统即美国海军导航卫星系统，它由三部份组成：卫星星座、地面跟踪网和用户接收机。地面跟踪网由跟踪站、计算中心、注入站、海军天文台和控制中心五部份组成。它们的任务是测定各颗卫星的轨道参数，并定时将这些轨道参数和时间信号注入到相应的各颗卫星内，以便卫星按时向地面播发。接收机是用来接收卫星发射的信号、测量
多普勒频移、解译卫星的轨道参数，以测定接收机所在位置的设备。由于接收机都是采用多普勒效应原理进行接收和定位的，所以也称为多普勒接收机。
1967年7月29日，美国政府宣布解密子午卫星的部份导航电文而提供民用，由于卫星多普勒定位具有经济、快速、精度较高、不受天气和时间限制等优点，只要能见到子午卫星，便可在地球表面的任何地方进行单点和联测定位，从而获得测站的三维地心坐标。因此，卫星多普勒定位迅速从美国传播到欧亚及美洲的许多国家。70年代中期，我国开始引进卫星多普勒接收机。西沙岛的大地测量基准联测，是我国应用卫星多普勒定位技术的先例。自80年代初期以来，我国开展了几次较大规模的卫星多普勒定位实践：国家测绘局和总参测绘局联合测设的全国卫星多普勒大地网；由原武汉测绘科技大学与青海石油管理局、新疆石油管理局、原石油部地球物理勘探局合作测设西北地区卫星多普勒定位网；即使在远离我国一万七千余公里的南极乔治岛上，也用卫星多普勒定位技术精确测得我国长城站的地理位置为南纬62°12′59.811″±0.015″，西经50°57′52.665秒±0.119″，高程为43.58±0.67m，长城站至北京的距离为17501949.51m。
在美国子午卫星系统建立的同时，前苏联于1965年开始也建立了一个卫星导航定位系统，
叫做CICADA。它与NNSS系统相似，也是第一代卫星定导航系统。该系统由12颗卫星组成CICADA星座，轨道高度为1000Km，卫星的运行周期为105min。
虽然子午卫星系统将导航和定位技术推向了一个崭新的发展阶段，但仍然存在着一些明显的缺陷。由于该系统卫星数目较少（6颗工作卫星），运行高度较低（平均约为1000km），从地面站观测到卫星的时间间隔也较长（平均约1.5小时），无法进行全球性的实时连续导航定位服务。从大地测量学来看，由于它的定位速度慢（测站平均观测1～2天），精度较低（单点定位精度3～5m，相对定位精度约为1m），因此，该系统在大地测量学和地球动力学研究方面受到了极大的限制。为了满足军事及民用部门对连续实时三维导航和定位的需求，第二代卫星导航系统——GPS便应运而生。子午卫星系统也于1996年12月31日停止发射导航及时间信息。
  1973年12月，美国国防部在总结了NNSS系统的优劣之后，批准美国海陆空三军联合研制新一代卫星导航系统——NAVSTAR GPS，即为目前的“授时与测距导航系统/全球定位系统”（Navigation Satellite Timing And Ranging / Global Positioning System）通常称之为全球定位系统，简称为GPS系统。
3、全球卫星导航系统（GPS）
（一）GPS组成
 
1978年2月22日，第一颗GPS实验卫星发射成功。1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告GPS系统进入了营运阶段。GPS由空间系统、地面监控系统和用户定位设备三部分组成。见图1。
图１ GPS系统的组成
1.空间系统
GPS的空间部分是由24颗工作卫星（其中，21颗为工作卫星，3颗为备用卫星，目前的卫星数已经超过32颗）组成，它们均匀分布在6 个近似圆形的轨道面上（每个轨道面4 颗，轨道倾角为55°）。每颗卫星可覆盖全球约38%的面积。卫星的设计寿命为7.5年，轨道高度为2000km以上，周期12h。在全球任何地方、任一时刻平均能看到6~8颗卫星，足以提供给全球任一地点的移动和固定用户作连续实时三维定位导航用，见图2所示。
图２ GPS卫星工作星座
  其中每颗卫星都由太阳能电池、姿态及速度控制、遥测跟踪、指令、温控、反作用控制、入轨发动机及导航等分系统所组成。
2. 地面控制系统
  地面控制系统由监测站(Monitor Station)、主控制站(Master Monitor Station)、地面天线(Ground Antenna)所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市(Colorado Spring)。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。
3.用户定位设备部分
用户定位设备由天线、接收机、带软件的数据处理器和控制、显示部分组成，可对在轨运行卫星进行作业选择、数据采集、加工处理、运算和存储。用户接收机只要收到4颗卫星发来的导航信号，便可测量伪距离和伪距离的变化，经数据处理，即可求解得三维位置、速度和时间数据。三维位置用以地心为中心的直角坐标系表示，可以换算成其他坐标系和地理的经纬度、高度，显示在接收机的屏幕上。汽车gps导航系统
除设计优良的空间卫星部分和地面监控部分以外，对卫星发射信号也提出了相应要求:
（二）GPS定位原理
GPS定位的基本原理是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。如图所示，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。
四、卫星定位技术的应用
（一）中国GPS导航市场的发展
中国GPS导航的市场潜力巨大。截至到2005年底，中国拥有车载导航设备的车辆不足10万辆，相对于3000万辆的汽车总数来说，普及率不到1%。而日本的汽车车载导航安装率高达59%，欧美约占25%。2006年便携导航市场应该有近5亿元的规模，而随着市场的高速发展及新品牌的层出不穷，预计2009年中国汽车GPS导航系统终端的销售额将接近100亿元。  　
2008年，被人们称为中国的“3G元年”。众所周知，目前在国内通信领域，最火的就是正在试运行的TD-SCDMA——3G标准。作为新一代的通信技术，3G带给人们非常多的期许。3G牌照的全面发放，也成了人们共同关注的焦点。其实在国内的GPS导航领域也在经历着一场蜕变，第三代PND类导航产品的应运而生，已经把人们带进了全新的导航时代。  　卫星导航应用产业在国民经济中发挥着越来越重要的作用，将成为“十一五”发展的亮点。在“十一五”期间，卫星导航在其它领域如航空、海路、铁路、建筑、电信、电力等方面的应用都会有很大的发展空间。  　
卫星导航技术的发展趋势主要表现在三方面：一是卫星导航的多系统并存，使系统可用性得以提高，应用领域将更广阔；二是多元组合导航技术正在得到推广应用，主要有GPS与移动通信定位、陀螺、航位推算技术等的组合应用；三是卫星导航与无线通信等其它高技术相结合，如GPS接收机嵌入到蜂窝电话、便携式PC、PDA和手表等通信、安全和消费类电子产品中，从根本上促进了IT技术的整体发展。