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五、全球定位系统

全球定位系统的全名为“全球卫星定位导航系统”，它由美国从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，可进行海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。它具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，已成功地应用于大地测量、工程勘测、航空摄影测量、运载工具导航与管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘测、地球动力学等多种学科。利用卫星对地面上的各种目标如汽车、火车、飞机、个人、野生动物等在移动或运动着的各种物体，进行精确定位并跟踪，目前应用于城市内及城市间的公交车辆或长途汽车的定位，对地质及野外科考人员的跟踪，也可装于出租车或私人汽车内，设计成电子导引图形式，只要输入终点地理位置或要探访客人的家庭座机电话号码，汽车就会利用GPS自动选择行车路线，保证就近省时地抵达目的地。GPS在国防军事领域中的应用也是非常重要的。

目前单机定位精度优于10m，采用差分定位精度可达厘米级和毫米级。它的系统组成如下：

（1）空间部分：21颗工作卫星，3颗备用卫星；

（2）地面支撑系统：1个主控地面站，3个注入地面站，5个监测站；

（3）用户设备部分：接收GPS卫星发射的信号以获得必要的导航和定位信息，经过数据处理，最终完成导航和定位工作。

GPS定位的简单工作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汇的方法，确定待测点的具体位置。

例如，有四颗卫星，它们在空中的位置分别为：（x₁，y₁，z₁），（x₂，y₂，z₂），（x₃，y₃，z₃），（x₄，y₄，z₄）。每颗卫星离待定位的接收机（x，y，z）的距离分别为d₁，d₂，d₃，d₄，接收到每颗卫星的信号由于距离不同而产生不同的时间Δt_i（i = 1，2，3，4），如图5-13所示。这样即可建立起四个方程，求解后即可得到接收机所在位置的坐标（x，y，z）。

图5-13　GPS接收四颗卫星信号图

80年代初，前苏联也开始建设与美国GPS系统类似的卫星定位系统，它也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。这一定位系统取名为“GLONASS”，是全球导航卫星系统几个英文单词词头的缩拼。该系统由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面有8颗卫星，轨道高度为19 100km，运行周期11.25h，轨道倾角64.8°；但它在调制方式上与美国的GPS不同，其异同对比如表5-1所示。

表5-1　GPS 与GLONASS系统的比较

由于两个导航定位系统同时存在，因此使卫星数增加了一倍，在地平线上的可见卫星数单独GPS系统一般为7～11颗，而GPS加上GLONASS两个系统同时则可见到14～20颗。在山区或城市中，有时因周围存在障碍物产生遮挡或影响，单纯GPS系统就可能无法工作，而双系统（GPS + GLONASS）则可工作。不仅如此，双系统还会由于卫星数目的增多而提高了观测结果的可靠性，也大大提高了观测结果的精度。

据说2008年北京奥运会期间，将建设一些GPS差分修正基站，并购买大量的微型接收/发射机。这种微型收发系统体积很小，与信用卡一样大，可将看台及其他比赛门票直接印在这种卡片上，保安主控台可以随时激活任意一张卡片，让它接收卫星信号为持有者定位；同时将其位置发往主控台，以便确定这张门票持有者目前的具体位置。

目前，一些国家和地区在大型公路公告牌、广场大型倒计时牌、街头大型时钟等处采用GPS系统，实现高精度时间显示功能，精度误差小于0.015s。几乎可以取代过去由广播电台播送的高准确度的时间标准。