GPS(Global Positioning System)是由美国国防部授权研制的卫星导航定位系统。它是一种可以定时和测距的导航系统，可向海军舰船、空中飞机和陆地车辆提供全球、全天候、连续、实时服务的高精度三维位置、三维速度和时间信息。其目的是为美国海、陆、空三军提供精密导航，还可用于情报搜集、核爆炸监测、应急通信和卫星定位等一些军事目的。
GPS定位的基本原理是:位于地面的GPS接收机检测GPS卫星发送的扩频信号，通过相关运算获取到达时间信息并由此计算出卫星到接收机的距离，再结合卫星广播的星历信息计算卫星的空间位置，完成定位计算。有3颗卫星时，若卫星与接收机钟差很小，即可实视二维定位;4颗可见时，卫星可实现三维定位，获取更多的可见卫星可提高定位精度。GPS接收机在全球任何地方、任一时刻均能接收到至少4颗卫星信号，GPS终端可根据接收到多颗卫星的导航信息，计算出自己的三维位置(经纬度与海拔高度)、运动速度与方向以及精确的时间信息。
GPS由空间部分(导航卫星星座)、控制部分(地面监控系统)和用户部分(GPS接收终端)3大部分组成。
1.空间部分
空间部分由一组GPS卫星组成。GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上，轨道倾角为55°，各个轨道平面之间相距60°，即轨道的升交点赤经各相差60°。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90°。导航卫星设计寿命为7.5年，轨道距地面高度为20128 km，运行周期为12恒星小时。
GPS导航卫星重达1500 kg，星上装备了无线收发信机、天线、铯原子钟、计算机、导航电文存储器、太阳能翼板以及其他设备。每颗卫星以两个L波段频率发射无线电载波信号:
L1=1575.42 MHz(波长约为19 cm)
L2=1227.60 MHz(波长约为24 cm)
在L1/L2载波上，载有测距用P码(Precise精搜索码，码长约30m)和C/A码(Coarse/ Acquisition粗搜索码，码长约300 m)。其中，P码只供美国军方与授权用户使用，C/A码可供民用定位服务。此外，在载波上还调制了50 bit/s的数据导航电文，其内容包括:卫星星历、电离层模型系数、状态信息、时间信息和星钟偏差/漂移等信息。
美国采用两种限制性政策:选择性可用性(SA)政策，有意使频率飘移和降低轨道精度，使C/A码原有的定位精度从20~40 m降低到100m;反欺骗政 策(AS)，为防止P码被非授权用户使用，将P码改为Y码，使非授权用户无法解出P码。
2.控制部分
控制部分主要是地面监控系统，它负责监控GPS的工作，是GPS系统的神经中枢，也是保证GPS协调运行的核心部分，由美国国防部监管。对于导航定位来说，GPS卫星是一个动态已知点。卫星的位置是依据卫星发射的星历(描述卫星运动及其轨道的参数)算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统的另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准--GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、3个注入站和5个监测站。
(1)主控站
主控站即卫星操作控制中心(CSOC)，位于加州Falcon空军基地，主要负责接收、处理来自各监控站跟踪数据，完成卫星星历和原子钟计算，卫星轨道和钟差参数计算，用以产生向空间卫星发送更新的导航数据。这些更新数据送到注入站，利用S频段(1750~1850MHz)向卫星发射。由于卫星上的原子钟有足够精度，故导航更新数据约在每天才更新一次。主控站本身还是监控站，还可用于完成诊断卫星的工作状态，进行调度等工作。
(2)监控站
GPS有5个监控站。除主控站上的监控站外，还在美国夏威夷、北太平洋上的Kwajalein岛、印度洋上的Diogo Garcia岛、大西洋上的Ascension岛上设有监控站。监控站对卫星进行跟踪与测轨，以2200~2300MHz频率接收卫星的遥测数据，进行轨道预报，并收集当地气象及大气和对流层对信号的时延数据，连同时钟修正、轨道预报参数一起传送给主控站。
(3)注入站
GPS有3个注入站，与三大洋的Kwajalein岛、Diogo Garcia岛、Ascension岛上监控站并置。注入站主要功能为将主控站送来的卫星星历、钟差信息和轨道修正参数，每天一次注入到卫星上的导航电文存贮器中。
3.用户部分
用户部分主要是GPS信号接收机，其任务是:捕获按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。在静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。
GPS接收机硬件和软件以及GPS数据的后处理软件包，构成了完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般被分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机，也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。
4.差分技术
美国政府出于军事目的，把GPS系统设置为两种级别的服务，其中C/A码为全球用户免费使用，但对C/A码采取人为降低精度的措施--选择可用性(SA)政策，这样使得单机定位只能达到100m(平面，95%置信度)，这种精度为GPS系统精度，而与GPS接收机无关。因此无论何种GPS接收机，只采用C/A码定位，精度就只能达到100m。这种精度无法满足日益增多的用户的要求，为了提高实时定位精度，人们提出了差分GPS技术，经差分校正的GPS接收机定位精度优于30m，测速精度优于0.1m/s，计时精度优于10 ms。
差分GPS系统已经在许多部门得到推广应用，这些差分GPS系统绝大多数为常规的差分GPS--位于已知点上的基准站(或称参考站)把差分GPS修正信息通过数据通信链实时传送到周围的流动站用户，从而使得流动站用户提高定位精度。我们称这种差分GPS为正向差分，它应用十分普遍，技术上也很成熟。但是在一些特殊应用场合，如特定目标或物体的高精度追踪监测中，常常希望基准站实时精确知道流动站的位置，而流动站自身无需实时知道自己的位置，为此而提出了逆向差分GPS(Inverted Differential GPS，IDGPS)。逆向差分GPS要求移动目标(流动站)把原始伪距观测信息通过数据链实时传送给基准站，由基准站采用逆向差分算法完成对流动站的精确求解，从而实时监测移动目标。
当前，美国正加紧部署研究GPSⅢ计划。为了满足到2030年的军用、民用要求，GPSⅢ将选择全新的优化设计方案，放弃现有的24颗中轨道卫星，采用全新的33颗高轨道加静止轨道卫星组网。与现有GPS相比，GPSⅢ的信号发射功率可提高100倍，定位精度提高到0.2~0.5m，授时精度1ns，这样可以使GPS制导武器的精度达到1m以内。
GPS卫星定位系统的研发及其测量原理简述
GPS卫星测量原理与应用简介
