全球定位系统 (GPS)

GPS是Global Positioning System（全球定位系统）的简称，一般指美国GPS系统。国际上投入运行且具备全球定位能力的系统还有俄罗斯的格罗纳斯（GLONASS）和中国的北斗卫星导航定位系统，正在建设中的有欧盟伽利略（GALILEO）定位系统，这些全球卫星定位系统在系统组成和定位原理方面基本一致，可以统称为卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS)。

GPS导航系统具备全天候服务能力，不受天气影响，全球覆盖，定位速度快，精度高，应用广泛，已形成了庞大的空间导航定位产业链。

20世纪60年代末，美国开始着手研制卫星导航系统，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，美国海军提出了Timation计划。该计划采用12-18颗卫星组成全球定位网，经过20余年的研究实验，到1994年，建成了全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星定位网络，这就是导航卫星授时与测距全球定位系统（Navigation Satellite Timing and Ranging Global Position System, NAVSTART GPS），简称全球定位系统（GPS）[1]

该工程是阿波罗登月工程和航天飞机计划之后的第三大空间计划，从最初的军事目的，到现代人类生活的方方面面，人类都已离不开基于GPS系统的定位与导航服务。俄罗斯、欧盟、中国、日本及印度也先后着手建立了自主的全球或区域型卫星导航系统。

二十世纪以来，空间导航与定位服务的商业价值日益凸显。根据欧洲全球导航卫星系统管理局（GSA）2019年发布的《全球导航卫星系统（GNSS）市场报告》，截止2019年底，全球在使用的GNSS设备数量约为64亿台，GNSS市场规模已超过1500亿欧元，预测到2029年，其数量将超过95亿部，全球卫星导航系统市场的收入规模将超过3244亿欧元。[2]

某时刻，从三个已知点对同一目标进行观察并测量距离，分别以已知点为圆心，以所测距离为半径做三个圆，可得三个圆在平面上的唯一交点，这种定位方法可以称为侧边交汇法或距离交汇法。GPS就是在已知卫星某一时刻的位置和速度的基础上，以卫星为空间基准点，通过接收设备，测定所测点至卫星的距离来确定所测点某一时刻的空间位置的定位技术。

以GPS系统为例，一个典型的卫星定位系统分为空间部分、地面监控部分、用户接受部分。

空间部分由24颗GPS工作卫星组成，其中3颗为备用卫星，分布在6个倾角为55°，约为20200公里高的轨道上绕地球运行，每颗卫星都会发射用于导航定位的信号。这种布局的目的是保证在全球任何地点、任何时刻至少可以观测到4颗卫星。

地面监控部分分为主控站、监控站和注入站，主要功能是计算卫星星历和卫星钟的改正参数，监控卫星状态，进行卫星调度与参数注入工作等。

用户接受部分指一切具备GPS信号接收能力的终端机，可以依据所观测信号计算得到自己某时刻所处的空间三维位置，且无须经过授意也无须就接受GPS信号付费。

GPS定位系统同时面向民用与军事用途，由于使用无须授意，因此美国国防部曾以安全为由，在正常GPS信号内加入SA (Selective Availability) 显示选择码作为人为误差，限制非军事用途的精确度。2000年5月1日，美国克林顿政府出于战略性考虑宣布废除SA政策，此人为误差已自然消除。[3]

卫星导航系统的定位精度主要由两方面因素决定，一是位置精度衰减因子（PDOP），主要取决于星座的覆盖特性，一般来说，用户可观测到的卫星数越多，与用户的几何构型越好，PDOP值就更优。目前，世界四大全球卫星导航系统，PDOP全球均值一般为2左右。二是用户等效测距误差（UERE），该误差是由空间段卫星轨道钟差、传输环境段的电离层和对流层误差、用户段接收机噪声和多径误差等三部分误差项共同组成。目前，四大系统UERE一般为2.0米（95%）左右，PDOP与UERE两者的乘积即为系统定位精度。[4]

大部分与卫星相关的误差及信号传播过程中的电离层与对流层误差，均具备显著的空间相关性，因此出现了基于相关模型来改进定位精度的差分技术。

全球定位系统由于其使用方便，定位效率高，应用广泛，从功能类别角度来看，导航应用的典型应用如，军事、物流、交通、户外探险；测量定位的典型应用如，基础设施建设、防灾减灾、地球科学研究；授时服务的典型应用如，为电信基站、电视发射站、工业设备等提供精确同步时钟源等。

全球定位系统体现了近十年跨领域关键技术的发展趋势，已成为当代重大跨领域技术发展的基本要素。作为一个具有成本效益和全球可用的位置和时间信息源，全球定位系统对于技术和应用多元化的快速发展起了很大作用，这反过来又产生了大量的应用实例，值得关注的跨领域技术包括物联网、大数据、移动医疗、增强现实、智慧城市、多式联运物流。[2]