全球定位系统(Global Positioning System，GPS)，是一种以人造地球卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统，它在全球任何地方以及近地空间都能够提供准确的地理位置、车行速度及精确的时间信息。

定位原理

GPS定位包括伪距单点定位、载波相位定位和实时差分定位。

1．伪距测量及伪距单点定位

伪距测量就是测定卫星到接收机的距离，即由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得的距离。伪距法单点定位，就是利用GPS接收机在某一时刻测定与4颗以上GPS卫星的伪距，及从卫星导航电文中获得的卫星瞬时坐标，采用距离交会法求出天线在WGS-84坐标系中的三维坐标。

2．载波相位测量及载波相位定位

载波相位测量是测定GPS卫星载波信号到接收机天线之间的相位延迟。GPS卫星载波上调制了测距码和导航电文，接收机接收到卫星信号后，先将载波上的测距码和卫星电文去掉，重新获得载波，称为重建载波。GPS接收机将卫星重建载波与接收机内由振荡器产生的本振信号通过相位计比相，即可得到相位差。

3．实时差分定位

GPS实时差分定位的原理是在已有的精确地心坐标点上安放GPS接收机（称为基准站），利用已知的地心坐标和星历计算GPS观测值的校正值，并通过无线电通信设备（称为数据链）将校正值发送给运动中的GPS接收机（称为流动站）。流动站利用校正值对自己的GPS观测值进行修正，以消除上述误差，从而提高实时定位精度。GPS动态差分方法有多种，主要有位置差分、伪距差分( RTD)、载波相位实时差分(RTK)和广域差分等。

GPS是目前最为成功的卫星定位系统，被誉为人类定位技术的一个里程碑。归纳起来，系统具有以下特点：

(1)全球，全天候连续不断的导航定位能力。GPS能为全球任何地点或近地空间的各类用户提供连续的、全天候的导航定位能力，用户不用发射信号，因而能满足多用户使用。

(2)实时导航，定位精度高，观测时间短。利用GPS定位时，在1s内可以取得几次位置数据，这种近乎实时的导航能力对于高动态用户具有很大的意义，同时能为用户提供连续的三维位置、三维速度和精确的时间信息。目前利用C/A码的实时定位精度可达20-50m，速度精度为0.1m/s，利用特殊处理可达0.005m/s，相对定位精度可达毫米级。

随着GPS系统的不断完善和软件的不断更新，目前20km以内相对静态定位仅需15-20min，快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站观测时间只需1-2min，然后可随时定位，每站观测只需几秒。

(3)测站无需通视：GPS测量只要求测站上空开阔，不要求测站之间互相通视，因此可节省大量的造标费用（一般造标费用占总经费的30%、50%）。由于无需点间通视，点位位置可根据需要可疏可密，这样就使得选点工作变得非常灵活，也可省去经典测量中的传算点、过渡点的测量工作。

(4)可提供全球统一的三维地心坐标：GPS测量可同时精确测定测站平面位置和大地高程。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度，另外，GPS定位是在全球统一的WGS-84坐标系统中计算的，因此全球不同地点的测量成果是相互关联的。

(5)仪器操作简便：随着GPS接收机的不断改进，GPS测量的自动化程度越来越高。在观测巾测量员只需安置仪器，连接电缆线，量取天线高，监视仪器的工作状态，而其他观测工作，如卫星的捕扶，跟踪观测和记录等均由仪器自动完成，结束测量时，仅需关闭电源，收好接收机，便完成了野外数据采集任务。

如果往一个测站上需做长时间的连续观测，还可以通过数据通信方式将所采集的数据传送到数据处理中心，实现全自动化的数据采集与处理。另外，接收机的体积也越来越小，相应的重量也越来越轻，极大地减轻测量作者的劳动强度，使野外工作变得更为轻松。

(6)抗干扰能力强、保密性好：GPS采用扩频技术和伪码技术，用户只需接收GPS信号，自身不会发射信号，出而不会受到外界其他信号源的干扰。

(7)功能多、应用广泛：GPS是军、民两用系统，其应用范围十分广泛。具体的应用实例包括：汽车导航和交通管理、巡线车辆管理、道路工程、个人定位以及导航仪等。

GPS是指利用GPS卫星，向全球各地全天候、实时性地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统。GPS的前身是1958年美国军方研制的一种子午仪( Transit)卫星定位系统，1964年正式投入使用，该系统用5-6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13圈，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪卫星定位系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，这就为GPS的研制做了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性以及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷，美国陆、海、空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。

20世纪70年代，陆、海、空三军联合研制了新一代全球定位系统，GPS主要目的是为陆、海、空三军提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报搜集、核爆炸监测和应急通信等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座已布设完成。GPS已经经历了第一代和第二代，现在已升级到第三代，以保持其在导航定位系统的霸主地位，从目前来看，GPS是全球范围内精度最高、覆盖范围最广的导航定位系统。

最初的GPS计划是在美国联合计划局的领导下制定的，该方案将24颗卫星放置在互成1200的三个轨道上。每个轨道上有8颗卫星，地球上任何一点均能观测到6-9颗卫星。这样，粗码精度可达100m，精码精度为10m。由于预算的压缩，GPS计划不得不减少卫星发射数量，改为将18颗卫星分布在互成600的6个轨道上，然而这一方案保障不了卫星的可靠性。1988年又进行了最后一次修改：21颗工作卫星和3颗备用卫星工作在互成600的6个轨道上。这也是目前GPS卫星所使用的工作方式。

全球定位系统一般主要是指GPS，尽管俄罗斯、欧洲及中国也纷纷建立自身的全球定位系统，但就技术而言，美国建立的GPS技术处于先进地位。本节所指的定位系统应用主要依据是GPS的应用，我们相信在不久的将来，其他定位系统也将发挥自身的作用，同样也能实现相应领域的应用。

(1)精密工程、测量及变形监测中的应用

将应用GPS卫星定位技术建立的控制网叫GPS网，GPS网分为两大类，一类是全球或全国性的高精度GPS网；一类是区域性的GPS网。大地测量的科研任务是研究地球形状及其随时间的变化，利用全球覆盖的高精度GPS网建立起高精度的动态坐标框架。区域GPS网是指国家C、D、E级GPS网或专为工程项目布测的工程GPS网。

(2)交通系统中的应用

对当前位置的定位以及对目标物的定位是地面车辆导航系统的两个关键技术。前者需要GPS获取点位根据，而后者则偏重以数字地图为基础，确定点位置，这实际上是一个地图相关分析的问题。

随着我国城市建设规模的扩大，车辆日益增多，交通运输的经营管理和合理调度，警用车辆的指挥和安全管理已成为公安、交通系统的一个重要问题。GPS导航定位技术的出现给车辆、轮船等交通工具的导航定位提供了具体的实时的定位能力。用于公安、交通系统的主要有：车辆GPS定位与无线电通信系统相结合的指挥管理系统；应用GPS差分技术的指挥管理系统。GPS车辆导航应用范围很广，如运输线路导航、突发事件车辆导航、车辆派遣等一一般地，智能型车辆和高速公路系统根据其功能可以分为4种：自动式系统、车队管理系统、咨询型导航系统和普查型系统。车队管理系统可对多辆车进行操作，并设有捌度中心；咨询型导航系统融合自动式系统和车队管理系统；普查型系统通常由自动式车辆加载摄像机或数字式的照相机组成，可用于获取时间、点位特性的道路信息，

(3)地球动力学中的应用

用GPS来监测全球和区域板块运动，监测区域地壳运动，对地球成因及动力机制的研究。研究地下断层活动模式、应力场变化，对地震危险值估计和预报。为了进行我国地壳形变监测，由地震局、总参测绘局、国家测绘局、中国科学院承担的“九五”重大科学工程项目“中同地壳运动监测网络工程”已于2000年建成。武汉测绘科技大学利用云南滇西两期GPS监测资料，反演红河断裂带低下断层活动模式，对1996年云南丽江地震作了较为准确的中期预报，其位置误差为27 km，震源深度误差为0-6 km．震级完全准确，揭示了用GPS监测资料做中期地震预报的可能性。

(4)气象学中的应用

利用GPS理论和技术来遥测地球大气、进行气象学的理论和方法研究称为GPS气象学( GPSIMET)i GPS气象学的研究始于20世纪10年代后期，最先在美国起步，在美国取得理想的试验结果后，在其他国家如日本也逐步开始GPS在气象中的应用。GPS/MET探测数据具有覆盖范围广（全球）、高垂直分辨率、高精度和高长期稳定的特点。

地球的大气相当于一个透镜，电磁波信号（如载波）在大气中的传输路径将因大气折射而发生曲折，气体密度越大，信号折射越强烈，波传输越慢，低轨GPS接收机接收到经折射的信号，可计算出综合信号折射率。经过适当的转换，电磁波的折射路径在各层大气中的垂直结构可以重构。无线电采用微波转换器由GPS卫星向接收机发射信号，传播中需经过某种介质，研究信号传输的性质就可以探清陔介质的性质。大气中有3种GPS信号折射源，即干燥物、水气和电离层物质。

(5)军事中的应用

军事上可用于协同作战、导弹的制导、搜索及救援人员野外定位。协同作战方面，GPS可为各级指挥系统提供各种目标及事件所发生的时间和地点。导弹的制导方面，美伊战争70%左右使用GPS辅助制导，使战斧式巡航导弹从l 600 km的地方准确打击一个小房子的目标。搜索及救援人员野外定位方面，在茫茫的沙漠上，没有任何标志，主要靠导航卫星进行定位，才能知道自己在什么地方。在海警舰艇航行应用中，我国利用北斗卫星导航系统不仅规避了全球定位系统隐藏的安全风险，而且可以完成舰艇定位、导航、管理以及指挥控制等多项工作。

(6)农业中的应用

GPS系统在精细农业实施过程中异常重要：能对农田各种信息给予精确定位，包括对农机车辆导航、平地、精确播种、喷药、撒肥、数据管理以及作物活力检测和变量控制。精准农业中较为成熟的、效益较好的应用包括：自动驾驶、施肥、喷药和播种等。GPS对于土壤养分分布调查、检测作物产量和农田管理在效率、准确率上比人的管理高很多；在联合收割机上配置监视器和GPS接收机，构成作物产量监视系统；通过和土壤养分含量分布罔的综合分析，可以找出影响作物产量的相关因素，从而进行具体的田间施肥等管理工作。利用棕色土壤和绿色作物叶子反射光波波长的差

可辨别土壤、作物和杂草。利用反射光波的差别，鉴别缺乏营养或感染病虫害的作物叶子。施加除草剂有两种方法，①利用杂草检测传感器，采集田间杂草信息，通过变量喷洒设备的控制系统，控制除草剂的喷施量；②事先用杂草传感器绘制出田间杂草斑块分布图，由电子地图输出处方，通过变量喷药机械实施。

(7)野生动物保护中的应用

美国土地管理局于20世纪10年代中叶开发了基于GPS的地理信息系统( Geographic Information System，GIS)，美国土地局分季度收集一次野生动物资源的有关信息，如生态条件以及野生动物栖息地分布、野生动物数量等。美国西部生活着数以万计的野马和野牛。建立野生动物管理系统，其主要目的在于：采用声音录入代替旧的手工输入方法；能显示当前和历史的飞行路线，对野生动物分布进行精确定位。实际工作中，在飞机或车辆上安装该系统，在空中寻找野生动物，用声音录入方式记录有关信息，GPS点位数据自动存储到数据库中。必要时可以按照历史航线进行不同时期的对比分析，结合现时与历史资料可以进行野生动物活动区域的动态监测。

(8)在突发事件中的应用

对突发事件的反应时间长短某种程度上影响了事件的损失程度。在突发事件如医疗、火警、交通事故的快速反应中.GPS和GIS起到决定性作用。一般地，建立突发事件救助系统可大致包括：①车载部分．，载有GPS设备，通过适当软件处理，获得地理坐标；②通信系统。采用双通道蜂窝通信网，事件发生后，驾驶人员启动求助系统，请求帮助种类（报警、医疗等）及伤害程度等；③处理中心。可接收用户信号，在GIS的辅助下，迅速对事发地点进行查询、定位，并根据用户提供的求助信息类别，确定相应的急救措施。GIS包括数字化的地图和属性信息，可以进行突发事件的发生地点在数字地图上的查询和定位以及调度人员对最短路线的选择，GPS则可以使急救车辆的点位等信息及时反馈到主控中心，以便调度。

(9)旅游中的应用

随着人们生活质量的提高，GPS服务逐步应用到私人旅游及野外考察中，到风景秀丽的地区去旅游，到原始大森林、雪山峡谷或者大沙漠地区去进行野外考察，安装于车内的GPS接收机将充分发挥其全球定位的功能成为驾驶者最忠实的向导。在驱车游览风景的途中，乘车者可以随时知道车辆所在位置及行走速度和方向，从而避免迷失路途。即使在途中出现麻烦，GPS监控服务中心会及时提供指示、连接最近的救援机构，积极采取行动。通过GPS监控中心提供的友情远程服务，即使乘车者车行万里，仍不失在家的感觉。提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要辅助功能，包括自动线路规划和线路设计。自动线路规划由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线包括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的路线等的计算。人工线路设计是由驾驶者根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等，自动建立线路库。

全球定位系统的应用还包括航空摄影测量，线路勘测及隧道贯通测量，地形、地籍及房地产测量，海洋测绘，工程施工测量、大桥施工控制网建立、海上勘探平台沉降监测、大桥动态实时形变监测、高层建筑实时变形监测。GPS更高效的服务将在生产、生活中的各个领域得到应用。

GPS在物流领域的应用主要体现在以下方面：

1．货物跟踪GPS计算机信息管理系统可以通过GPS和计算机网络实时收集全路列车、机车、车辆、集装箱及所运货物的动态信息，实现对陆运、水运货物的跟踪管理。只要知道货车的车型、车号或船舶的编号就可以立即从铁路网或水运网中找到该货车或船舶，知道它们所处的位置，距离运输目的地的里程以及所有装运货物的信息。运用这项技术可以大大提高运营的精确性和透明度，为货主提供高质量的服务。

2．与地理信息系统( GIS)结合解决物流配送。物流包括订单管理、运输、仓储、装卸、送递、报关、退货处理、信息服务及增值业务。全过程控制是物流管理的核心问题。供应商必须全面、准确、动态地把握散布在全国各个中转仓库、经销商、零售以及汽车、火车、飞机、轮船等各种运输环节之中的产品流动状况，并据此制订生产和销售计划，及时调整市场策略。因此，对大型供应商而言，没有全过程的物流管理就谈不上建立有效的分销网络；对于大型连锁零售商而言，没有全过程的物流管理就谈不上建立供应配送体系；对于第三方物流服务商、仓储物流中心，没有面向全过程的物流管理服务就很难争取到客户的物流业务；对于普通用户而言，没有快速、准确、安全、可靠的物流配送服务，网上采购几乎是不可想象的。物流配送的过程主要是货物的空间位置转移的过程，在物流配送过程中，要涉及货物的运输、仓储、装卸、送达等业务环节，对各个环节涉及的问题如运输路线的选择、仓库位置的选择、仓库容量设置、合理装卸策略、运输车辆调度和投递路线选择等进行有效管理和决策分析，有助于物流配送企业有效地利用现有资源、降低消耗、提高效率。事实上，仔细分析上述各个环节存在的问题就可以发现，上面的问题都涉及地理要素和地理分布。凡是涉及地理分布的领域都可以应用GIS技术，GPS/GIS技术是全过程物流管理中不可缺少的组成部分。