1.什麼是全球定位系統（GPS）
全球定位系統（Global Positioning System - GPS）是美國從上世紀70年代開始研製，歷時20年，耗資200億美元，於1994年全面建成，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統。經近10年我國測繪等部門的使用表明，GPS以全天候、高精度、 自動化、高效益等顯著特點，贏得廣大測繪工作者的信賴，並成功地應用於大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導航和管制、地殼運動監測、工程變形監測、資源勘察、地球動力學等多種學科，從而給測繪領域帶來一場深刻的技術革命。
全球定位系統(Global Positioning System,縮寫GPS)是美國第二代衛星導航系統。是在子午儀衛星導航系統的基礎上發展起來的，它採納了子午儀系統的成功經驗。和子午儀系統一樣，全球定位系統由空間部分、地面監控部分和用戶接收機三大部分組成。
按目前的方案，全球定位系統的空間部分使用24顆高度約2.02萬千米的衛星組成衛星星座。21+3顆衛星均為近圓形軌道，運行周期約為11小時58分，分布在六個軌道面上（每軌道面四顆），軌道傾角為55度。衛星的分布使得在全球的任何地方，任何時間都可觀測到四顆以上的衛星，並能保持良好定位解算精度的幾何圖形（DOP）。這就提供了在時間上連續的全球導航能力。
地面監控部分包括四個監控間、一個上行注入站和一個主控站。監控站設有GPS用戶接收機、原子鐘、收集當地氣象數據的傳感器和進行數據初步處理的計算機。監控站的主要任務是取得衛星觀測數據並將這些數據傳送至主控站。主控站設在范登堡空軍基地。它對地面監控部實行全面控制。主控站主要任務是收集各監控站對GPS衛星的全部觀測數據，利用這些數據計算每顆GPS衛星的軌道和衛星鐘改正值。上行注入站也設在范登堡空軍基地。它的任務主要是在每顆衛星運行至上空時把這類導航數據及主控站的指令注入到衛星。這種注入對每顆GPS衛星每天進行一次，並在衛星離開注入站作用範圍之前進行最後的注入。
全球定位系統具有性能好、精度高、應用廣的特點，是迄今最好的導航定位系統。隨著全球定位系統的不斷改進，硬、軟體的不斷完善，應用領域正在不斷地開拓， 目前已遍及國民經濟各種部門，並開始逐步深入人們的日常生活。
2.GPS如何定位
GPS接收機可接收到可用於授時的準確至納秒級的時間信息；用於預報未來幾個月內衛星所處概略位置的預報星曆；用於計算定位時所需衛星坐標的廣播星曆，精度為幾米至幾十米（各個衛星不同，隨時變化）；以及GPS系統信息，如衛星狀況等。
GPS接收機對碼的量測就可得到衛星到接收機的距離，由於含有接收機衛星鐘的誤差及大氣傳播誤差，故稱為偽距。對0A碼測得的偽距稱為UA碼偽距，精度約為20米左右，對P碼測得的偽距稱為P碼偽距，精度約為2米左右。
GPS接收機對收到的衛星信號，進行解碼或採用其它技術，將調製在載波上的信息去掉後，就可以恢復載波。嚴格而言，載波相位應被稱為載波拍頻相位，它是收到的受都卜勒頻 移影響的衛星信號載波相位與接收機本機振蕩產生信號相位之差。一般在接收機鍾確定的曆元時刻量測，保持對衛星信號的跟蹤，就可記錄下相位的變化值，但開始觀測時的接收機和衛星振蕩器的相位初值是不知道的，起始曆元的相位整數也是不知道的，即整周模糊度，只能在數據處理中作為參數解算。相位觀測值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相對定位、並有一段連續觀測值時才能使用相位觀測值，而要達到優於米級的定位 精度也只能採用相位觀測值。
按定位方式，GPS定位分為單點定位和相對定位（差分定位）。單點定位就是根據一臺接收機的觀測數據來確定接收機位置的方式，它只能採用偽距觀測量，可用於車船等的概略導航定位。相對定位（差分定位）是根據兩臺以上接收機的觀測數據來確定觀測點之間的相對位置的方法，它既可採用偽距觀測量也可採用相位觀測量，大地測量或工程測量均應採用相位觀測值進行相對定位。
在GPS觀測量中包含了衛星和接收機的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應等誤差，在定位計算時還要受到衛星廣播星曆誤差的影響，在進行相對定位時大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度將大大提高，雙頻接收機可以根據兩個頻率的觀測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機間距離較遠時（大氣有明顯差別），應選用雙頻接收機。
在定位觀測時，若接收機相對於地球表面運動，則稱為動態定位，如用於車船等概略導航定位的精度為30一100米的偽距單點定位，或用於城市車輛導航定位的米級精度的偽距差分定位，或用於測量放樣等的釐米級 的相位差分定位（RTK），實時差分定位需要數據鏈將 兩個或多個站的觀測數據實時傳輸到一起計算。 在定位觀測時，若接收機相對於地球表面靜止，則稱為靜態定位，在進行控制網觀測時，一般均採用這種 方式由幾臺接收機同時觀測，它能最太限度地發揮GPS的定位精度，專用於 這種目的的接收機被稱為大地型接 收機，是接收機中性能最好的一類。目前，GPS已經能 夠達到地殼形變觀測的精度要求，IGS的常年觀測臺站已 經能構成毫米級的全球坐標框架。
3.GPS系統如何組成
GPS系統包括三大部分：空間部分—GPS衛星星座；地面控制部分—地面監控系統；用戶設備部分—GPS信號接收機。
GPS衛星星座
GPS工作衛星及其星座 由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成GPS衛星星座，記作（21+3）GPS星座。 24顆衛星均勻分布在6個軌道平面內，軌道傾角為55度，各個軌道平面之間相距60度， 即軌道的升交點赤經各相差60度。每個軌道平面內各顆衛星之間的升交角距相差90度， 一軌道平面上的衛星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛星超前30度。
在兩萬公裡高空的GPS衛星，當地球對恆星來說自轉一周時，它們繞地球運行二周， 即繞地球一周的時間為12恆星時。這樣，對於地面觀測者來說，每天將提前4分鐘見到同一顆GPS 衛星。位於地平線以上的衛星顆數隨著時間和地點的不同而不同，最少可見到4顆， 最多可見到11顆。在用GPS信號導航定位時，為了結算測站的三維坐標，必須觀測4顆 GPS衛星，稱為定位星座。這4顆衛星在觀測過程中的幾何位置分布對定位精度有一定的影響。對於某地某時，甚至不能測得精確的點位坐標，這種時間段叫做「間隙段」。但這種 時間間隙段是很短暫的，並不影響全球絕大多數地方的全天候、高精度、連續實時牡己蕉ㄎ徊飭俊?GPS工作衛星的編號和試驗衛星基本相同。
地面監控系統
對於導航定位來說，GPS衛星是一動態已知點。星的位置是依據衛星發射的星曆—描述衛星運動及其軌道的 的參數算得的。每顆GPS衛星所播發的星曆，是由地面監控系統提供的。衛星上的各種設備是否正常 工作，以及衛星是否一直沿著預定軌道運行，都要由地面設備進行監測和控制。地面監控系統 另一重要作用是保持各顆衛星處於同一時間標準—GPS時間系統。這就需要地面站監測 各顆衛星的時間，求出鐘差。然後由地面注入站發給衛星，衛星再由導航電文發給用戶設備。 GPS工作衛星的地面監控系統包括一個主控站、三個注入站和五個監測站。
GPS信號接收機
GPS 信號接收機的任務是：能夠捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號， 並跟蹤這些衛星的運行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛星 到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛星所發送的導航電文，實時地計算出測站的三維位置， 位置，甚至三維速度和時間。
靜態定位中，GPS接收機在捕獲和跟蹤GPS衛星的過程中固定不變，接收機高精度 地測量GPS信號的傳播時間，利用GPS衛星在軌的已知位置，解算出接收機天線所在位置的 三維坐標。而動態定位則是用GPS接收機測定一個運動物體的運行軌跡。GPS信號接收機 所位於的運動物體叫做載體（如航行中的船艦，空中的飛機，行走的車輛等）。載體上 的GPS接收機天線在跟蹤GPS衛星的過程中相對地球而運動，接收機用GPS信號實時地 測得運動載體的狀態參數（瞬間三維位置和三維速度）。
接收機硬體和機內軟體以及GPS數據的後處理軟體包，構成完整的GPS用戶設備。GPS接收機的結構 分為天線單元和接收單元兩大部分。對於測地型接收機來說，兩個單元一般分成 兩個獨立的部件，觀測時將天線單元安置在測站上，接收單元置於測站附近的適當地方， 用電纜線將兩者連接成一個整機。也有的將天線單元和接收單元製作成一個整體，觀測時將其 安置在測站點上。
GPS接收機一般用蓄電池做電源。同時採用機內機外兩種直流電源。設置機內電池的目的 在於更換外電池時不中斷連續觀測。在用機外電池的過程中，機內電池自動充電。 關機後，機內電池為RAM存儲器供電，以防止丟失數據。
近幾年，國內引進了許多種類型的GPS測地型接收機。各種類型的GPS測地型接收機用於 精密相對定位時，其雙頻接收機精度可達5mm+1PPM.D，單頻接收機在一定距離內精度可達 10mm+2PPM.D。用於差分定位其精度可達亞米級至釐米級。 目前，各種類型的GPS接收機體積越來越小，重量越來越輕，便於野外觀測。GPS和GLONASS 兼容的全球導航定位系統接收機已經問世。
4.GPS接收機如何分類
GPS衛星發送的導航定位信號，是一種可供無數用戶共享的信息資源。對於陸地、 海洋和空間的廣大用戶，只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設備， 即GPS信號接收機。可以在任何時候用GPS信號進行導航定位測量。根據使用目的的不同， 用戶要求的GPS信號接收機也各有差異。目前世界上已有幾十家工廠生產GPS接收機， 產品也有幾百種。這些產品可以按照原理、用途、功能等來分類。
按接收機的用途分類
導航型接收機 此類型接收機主要用於運動載體的導航，它可以實時給出載體的位置和速度。這類接收機 一般採用C/A碼偽距測量，單點實時定位精度較低，一般為±25mm，有SA影響時為±100mm。 這類接收機價格便宜，應用廣泛。根據應用領域的不同，此類接收機還可以進一步分為： 車載型——用於車輛導航定位； 航海型——用於船舶導航定位； 航空型——用於飛機導航定位。由於飛機運行速度快，因此，在航空上用的接收機 要求能適應高速運動。 星載型——用於衛星的導航定位。由於衛星的速度高達7km/s以上，因此對接收機的要求更高。
測地型接收機
測地型接收機主要用於精密大地測量和精密工程測量。定位精度高。儀器結構複雜，價格較貴。 授時型接收機 這類接收機主要利用GPS衛星提供的高精度時間標準進行授時，常用於天文臺及無線電通訊中時間同步。
按接收機的載波頻率分類
單頻接收機 單頻接收機只能接收L1載波信號，測定載波相位觀測值進行定位。由於不能有效消除 電離層延遲影響，單頻接收機只適用於短基線（15km）的精密定位。
雙頻接收機 雙頻接收機可以同時接收L1，L2載波信號。利用雙頻對電離層延遲的不一樣，可以消除電離層 對電磁波信號的延遲的影響，因此雙頻接收機可用於長達幾千公裡的精密定位。
按接收機通道數分類
GPS接收機能同時接收多顆GPS衛星的信號，為了分離接收到的不同衛星的信號，以實現對衛星信號的跟蹤、處理和量測，具有這樣功能的器件稱為天線信號通道。根據接收機所具有的通道種類可分為： 多通道接收機 序貫通道接收機 多路多用通道接收機
按接收機工作原理分類
碼相關型接收機 碼相關型接收機是利用碼相關技術得到偽距觀測值。
平方型接收機 平方型接收機是利用載波信號的平方技術去掉調製信號,來恢復完整的載波信號 通過相位計測定接收機內產生的載波信號與接收到的載波信號之間的相位差，測定偽距觀測值。
混合型接收機 這種儀器是綜合上述兩種接收機的優點，既可以得到碼相位偽距，也可以得到載波相位觀測值。
幹涉型接收機 這種接收機是將GPS衛星作為射電源，採用幹涉測量方法，測定兩個測站間距離。