1.1GPS简介
GPS是英文Navigation?SatelliteTimingandRanging/GlobalPositionin?gSystem的字头缩写词NAVSTAR/GPS的简称，它的含义是利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。它是美军70年代初在“子午卫星导航定位系统――NNSS系统”的技术上发展而起的具有全球性、全能性（陆地、海洋、航空与航天）、全天候性优势的导航定位、定时、测速系统。利用该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另外，利用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。
2、GPS的组成
1973年12月，美国国防部正式批准陆海空三军共同研制导航全球定位系统-全球定位系统（GPS）。整套GPS定位系统由三个部分组成的，即由GPS卫星组成的空中部分、由若干地面站组成的地面监控系统、以接收机为主体的用户设备。三者有各自独立的功能和作用，但又是有机地配合而缺一不可的整体系统。
（1）、空间卫星部分
GPS的空间部分由24颗GPS工作卫星所组成，这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座，其中21颗为用于导航的卫星，3颗为活动备用卫星。这24颗卫星分布在6个倾角为55°,高度约为20000公里的高空轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为12恒星时。完整的工作卫星星座保证在全球各地可以随时观测到4-8颗高度角为15°以上的卫星,若高度角在5°则可达到12颗卫星。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS用户正是利用这些信号来进行工作。

（2）、地面监控部分
GPS的控制部分由分布在全球的若干个跟踪站所组成的
监控系统构成，根据其作用不同，
这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。

(3)、用户接收部分
GPS用户部分由GPS接收机（移动站、基准站等）、数据处理软件及相应用户设备,如计算机气象仪器等所组成。它的作用是接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。

3、GPS信号
GPS导航定位系统属于无线电导航定位系统，用户只需通过接收设备接收卫星播的信号就能测定卫星信号传播时间延迟或相位延迟,解算出接收机与GPS卫星间的距离（称为伪距），确定接收机位置。
GPS卫星发射两种频率的载波信号---伪随机码，即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60HMz的L2载波，它们的频率分别是基本频率10.23MHz的154倍和120倍，它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分别调制着多种信号，这些信号主要有：
(1)C/A码：C/A码又被称为粗捕获码，它被调制在L1载波上，C/A码是普通用户用以测定接收机到卫星间的距离的一种主要的信号。
(2)P码：P码又被称为精码，它被调制在L1和L2载波上，一般用户无法利用P码来进行导航定位。
(3)Y码：P码与W码进行模二相加生成保密的Y码。
(4)导航信息：导航信息被调制在L1载波上，其信号频率为50Hz，包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播星历。
4、GPS误差
利用GPS定位时，GPS卫星播发的信号受各种因素影响，使得测量结果产生误差，精度下降。影响GPS定位精度的因素可分为下列几个方面：
(1)与GPS卫星有关的因素
①SA政策:美国政府从其国家利益出发，通过对导航电文采用ε技术、对GPS卫星基准频率加入高频抖动（δ技术）、对P码采用译密技术（P码经过译密技术处理成Y码--反电子欺骗AS政策），人为降低普通用户利用GPS进行导航定位时的精度。单机定位误差达100m。现已取消SA政策，单机误差约15m。
②卫星星历误差:卫星星历是GPS卫星定位中的重要数据。卫星星历是由地面监控站跟踪监测GPS卫星测定的。由于地面监控站测试的误差以及卫星在空中运行受到多种摄动力影响，地面监测站难以充分可靠地测定这些作用力的影响，使得测定的卫星轨道会有误差。
③卫星钟差:卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间会有偏差和漂移，并且随着时间的推移而发生变化。而GPS定位所需要的观测量都是以精密测时为依据，卫星钟差会对伪码测距和载波相位测量产生误差。当卫星钟差总量达到1ms时，产生的等效距离误差可达300KM
④地球自转的影响：GPS定位采用的坐标是协议地球坐标系，地面接收到卫星信号时与地球固连的协议坐标系相对于卫星发射瞬间的位置已产生了旋转(绕Z轴旋转)，这样接收到的卫星信号会有时间延迟。（卫星发送信号瞬间坐标与接收机接收的瞬间坐标产生位置上的旋转）。
⑤发射天线相位中心偏听偏差:发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。
(2)与信号传播有关的误差
①电离层延迟:地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟。
②对流层延迟:由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。
③多路径效应:由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，这些信号会相互叠加，这就是所谓的多路径效应。
(3)仪器本身的误差
①接收机钟差:接收机石英钟与卫星的原子钟钟面时间的误差。
②接收机天线相位中心偏差:GPS接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。
③接收机软件和硬件造成的误差:在进行GPS定位时，定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。
(4)其他方面影响
①GPS控制部分人为或计算机造成的影响:由于GPS控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等。
②数据处理软件的影响:数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。
5、坐标系统
(1)坐标系的分类
所谓坐标系指的是描述空间位置的表达形式，即采用什么方法来表示空间位置。如直角坐标系、极坐标系等。在测量中，常用的坐标系有以下几种：
①空间直角坐标系
空间直角坐标系的坐标系(见下图)原点位于参考椭球的中心O，Z轴指向参考椭球的北极，X轴指向起始子午面与赤道的交点，Y轴位于赤道面上，且按右手系与X轴呈90°夹角。
②空间大地坐标系
空间大地坐标系(见下图)是采用大地经、纬度和大地高来描述空间位置的。纬度是空间的点与参考椭球面的法线与赤道面的夹角，经度是空间中的点与参考椭球的自转轴所在的面与参考椭球的起始子午面的夹角，大地高是空间点沿参考椭球的法线方向到参考椭球面的距离。
③平面直角坐标系
平面直角坐标系是利用投影变换，将空间坐标（空间直角坐标或空间大地坐标）通过某种数学变换映射到平面上，这种变换又称为投影变换。投影变换的方法有很多，如UTM投影、Lambuda投影等，在我国采用的是高斯-克吕格投影，也称为高斯投影。
(2)GPS测量中常用的坐标系统
①WGS-84坐标系
　WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。WGS-84坐标系统的全称是WorldGeodicalSystem-84（世界大地坐标系-84），它是一个地心地固坐标系统。WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向，X轴指向BIH1984.0的起始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴和Z轴构成右手系。
②1954年北京坐标系
1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系。该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。
③1980年西安大地坐标系
椭球的短轴平行于地球的自转轴（由地球质心指向1968.0JYD地极原点方向），起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，椭球面同似大地水准面在我国境内符合最好；椭球长半轴6378140米，扁率298.257；X轴加常数为0，Y轴加常数为500000米；高程系统以56年黄海平均海水面为高程起算基准。
6、工作原理
(1)卫星三角测量:
①地球上任何一点坐标都能通过测量一组卫星到该点的距离计算而得。
假定某卫星与该点的距离为A1,则该点位于以该卫星为中心,半径为A1的地球球面上(如图1)。
②如第二个卫星与该点的距离为A2，则该点落在两球面相交的圆上（如图2）。
③增加第三个卫星时，则该点落在三个球面相交的2个点（如图3）,此时只能得出一个点的经纬度，无法得到高程，属于两维。
④再增加一个卫星，就可以唯一确定一个点（如图4），此时点的属性是三维，包括经度、纬度、高程。
(2)卫星测距码
卫星与测点间距离是通过测量卫星信号到达接收机所需时间来计算的。
①要知道卫星信号到达接收机所需时间就需知道信号是什么时候离开卫星。
②当卫星信号离开卫星时，卫星同时广播一种伪随机码（测距码）附加在信号中。
③当接收机接收到信号时也产生同样的伪随机码，并与卫星信号中附加的伪随
机码作比较并计算出卫星信号的传播时间延迟，再用时间差(△t)×光速(300,000,000米/秒)就可算出卫星与接收机之间的距离。
(3)精确的时间
①GPS工作卫星都安设有4台原子钟，一般是两台铷原子钟和两台铯原子钟。
②GPS接收机则装一个普通的石英钟，用接收4个卫星来消除时钟误差。
③卫星和接收机的时钟都正确（无误差），那么4个卫星的测量结果应穿过同
一个点。
④若卫星和接收机时钟存在误差时，测量结果无法相交于一个点时，接收机的处理器开始调整时钟，直到它们相交于一个点为止。
(4)卫星的分布
①卫星在约20200公里的高空轨道上运行，监测站不断的监测每个卫星，并向主
控站提供数据。
②主控站计算卫星星历、时钟改正数并编辑成导航电文传送注入站。
③注入站将导航电文注入卫星。
(5)误差的调整
①卫星原子钟误差、卫星星历误差和卫星轨道（地球自转）误差由主控站调整。
②电离层折射、对流层折射使得信号穿过大气层时速度变慢，导致误差，接收
机一般会做调整。
③多路效应误差，信号接近地球表面时可能会被反射，反射信号会干扰直线信
号，抗干扰天线有助于减少这种误差。
④S/A政策：现已取消该政策，使单机误差定位达15m的精度。
7、差分原理
(1)GPS差分定位技术：差分是一种GPS定位技术,能极大提高精度。
它需要一台接收机在一个已知点(点的经/纬度已知)上接收GPS信号(基准站),其他接收机在未知点同时进观测（如下图）。它利用已知点的精确坐标来计算出观测误差值,再利用该值来修正其他接收机在同一卫星、同一时刻的观测值。
(2)差分GPS定位原理:
由安装在已知点位的基准站接收机测量出到GPS卫星的距离-伪距。其中包括到这颗卫星的真实距离加上几种误差。由于基准站的位置是已知的，可以利用卫星星历数据计算出基准站接收机到卫星的距离，计算出的距离与已知坐标之间的差包括上述几种误差值，将这一差值作为距离改正数传送给用户接收机，用户接收机就得到一个“校正过”的距离改正值。接收机接收的伪距经过改正值改正后可得到较准确的距离，这就是差分原理。
(3)差分江苏GPS-666GPS定位的种类:
实时差分：基准站计算出观测值后，通过电台广播出去，移动站接收到该值后实时改正自己的观测值，并把结果显示在屏幕上。
后处理差分：基准站计算出误差后记录成文件，移动站采集的数据也记录成计算机文件，野外作业回来后把文件导入PC机中，通过GPS软件，用基准站文件来对移动站文件进行差分，得出改正后的文件。
②依基准站发送信息方式分：
位置差分:最简单的差分方法,基准站对每4颗卫星进行解算，得到一组改正数，基准站和移动站许需接收同一组卫星才能使用。
伪距差分:目前普遍使用的查分方法，基准站上的接收机利用一个（α-β）滤波器将解算的差值滤波，并求出其偏差,然后将所有卫星的测距误差传输给用户,用户利用改正后的伪距求出本身的位置。
相位平滑伪距差分:GPS接收机获得载波多普勒频率计数的功能,这个载频多普勒计数能反映载波相位信息--即反映伪距变化率的特性,利用这个载波信息来辅助码伪距测量就可获得比单独采用码伪距离测量更高的精度。
相位差分:载波相位差分技术又称为RTK技术，可达mm级的精度。

8.GPS系统应用
GPS运用方面很多如
（1）导航：GPS能以较好精度瞬时定出接收机所在位置的三维坐标，实现实时导航，因而GPS可用于海船、舰艇、飞机、导弹、出租车、交通车辆定位、110、120、119等。
（2）高精度、高效率的地面测量等等