自从赫兹证明了麦克斯韦的电磁波辐射理论以后，人们便开始了对无线电导航定位系统研究。无线电导航定位系统是根据无线电波的传播特性，利用接收机测定在地面上的方位、距离、距离差等参数，确定测量点的位置，以完成对船舶、车辆、飞机等运载体的定位和导航的系统[6]。
早期的无线电导航系统都是由建立在地面或地面载体上的发射台和用户接收机组成，称为地面无线电导航系统或者陆基无线电导航系统。无线电测向系统（ Radio Direction Finding）是最早的无线电导航系统，它通过接收机测定信标电台的方位，来确定测量点的位置。无线电信标电台工作于中频或低频段，在海上的作用距离为 50-200海里，定位误差为几海里。台卡（Decca）、罗兰 C（Loran-C）、欧米伽（ Omega）以及雷达（ Radar）都是双曲线陆基无线电导航系统，它们必须接收到三个或三个以上的地面发射台才能定位。台卡和罗兰 C都工作在低频段，前者发射连续波，由于受天波干扰，有效作用距离为 100-200km，定位误差为几百米。后者发射脉冲调制信号，作用距离可达 1200海里，定位精度为 300-1000m。欧米伽共有8个发射台分布于全球，发射 10-14kHz的甚低频无线电波，该频段的无线电波传播损耗小，系统覆盖区接近全球，但是甚低频电波传播受电离层变化的影响较大，定位误差通常在1海里以上。
由此可见陆基无线电导航系统作用距离或者定位精度难以提高，只能满足小部分用户的需求。
1957年，原苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星，标志着人类已经进入了空间时代。[6]1958年美国海军武器试验室委托霍普金斯大学应用物理研究室研制美国海军导航卫星系统（Navy Navigation Satellite System，NNSS）。该系统于 1964年研制成功并交付使用。卫星导航具有无线电波传播不受地面的影响，可进行全球定位，定位精度高等优点。原苏联于70年代也建成了类似于 NNSS的奇卡达（Tsikada）卫星导航系统。这类卫星导航系统与陆基无线电导航系统相比具有全球全天候、定位精度较高等优点，但是由于卫星高度低、卫星数目少（仅 6颗），系统存在定位不连续、实时性差的缺点，此外定位信息为二维，缺少高度，卫星轨道容易产生摄动，限制了定位精度的进一步提高。因此这种卫星导航系统逐渐不能满足许多用户对定位的要求。全球定位系统（ Global Positioning System，GPS）就在这种情况下产生了。
1973年 12月，美国国防部批准海陆空三军及其他机构组成联合计划局，研制新型卫星导航系统—— NAVSTAR GPS（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System），即通常所说的“ GPS”或者“全球卫星定位系统”。GPS被美国列为重点空间计划之一，成为继阿波罗登月计划、航天飞机计划之后的第三项庞大的空间计划 [1]。GPS系统经过漫长的方案论证、工程研制、生产作业等三个研制阶段，于 1994年 3月 10日全面运行。GPS卫星运行高度为 20183km，轨道倾角为 55o，运行周期接近 12小时。它不仅能在全球范围内向用户提供 4颗卫星以上的信号从而实行高精度的三维位置测定，还能实时测定运载体的三维速度，并能够提供高精度的授时服务。
2.1 全球定位系统的组成
全球定位系统由三大部分组成：空间卫星部分—— GPS卫星星座；地面控制部分——地面监控系统；用户设备部分——GPS信号接收机。
2.1.1 空间卫星部分
GPS的空间卫星星座是由24颗卫星组成，其中21颗工作卫星，3颗备用卫星。这24颗卫星均匀分布在6个倾角为55°的地心轨道上。GPS卫星由收发设备、操作系统、太阳能电池、原子钟、推动系统以及各种辅助设备组成。卫星的运行周期为半个恒星日，即11小时58分。卫星运行高度为20183km。因此，同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前大约4分钟。地面观测者见到地平面上的卫星数目随时间和地点不同而不同。
为了测量卫星至接收机的伪距，GPS卫星发射三种伪随机码信号，即C/A码、P码、和Y码。它们分别调制在两个载频上发射。C/A码——粗测/捕获码，为民间用户提供标准定位服务（SPS），为了限制C/A码的定位精度，美国政府引入了选择可用性（Selective Availabity，SA）政策，人为将误差引入卫星钟和导航电文，降低GPS定位精度；为了争夺GPS市场，美国于2000年5月1日取消了SA政策。P码——精密码，为美国军方用户和特许的用户提供精密定位服务（PPS）。为了严格限制非特许用户使用P码，并防止敌方发送虚假P码进行电子欺骗，美国在1994年1月31日在卫星上采取了反电子欺骗（Anti-Spoofing，A-S）的 技术措施，将P码进一步加密编译成Y码。
2.1.2 地面控制部分
GPS的地面控制部分的主要任务是维护卫星和维持其正常功能。主要功能包括：将卫星保持在正确的轨道位置；监视星载分系统的运行；监视卫星的太阳能电池；更新卫星的星历，以及在导航电文中其它指示量；判定卫星的异常；控制选择可用性（SA）和反电子欺骗（A-S）等。此外地面控制部分的另一重要作用是保持所有GPS卫星处于同一时间标准——GPS时间。这就需要地面控制部分监测GPS卫星的时间，求出钟差，然后由注入站发给卫星。GPS卫星再以导航电文的形式发送给用户设备。
地面控制部分包括1个主控站、3个注入站和5个监测站。
主控站对地面监控部分实行全面控制，它的主要任务是收集各个监测站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗卫星的轨道和卫星钟的改正值。
监测站是无人值守的数据采集中心，安装有精密的铯原子钟和能够连续测量所有可见卫星伪距的接收机，对卫星进行常年观测，并采集电离层数据和气象数据。
注入站的主要任务是在每颗卫星运行至其上空时把导航数据以及主控站的指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次或两次注入，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。
2.1.3 用户设备部分
GPS用户设备部分通常称作GPS接收机，它处理来自卫星的L波段信号以确定用户的位置、速度和时间等信息。对GPS接收机的要求是能迅速捕获到按一定卫星截至高度角所选择的待测卫星信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收的卫星信号进行放大、变换和处理，以便测定出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出三维位置、三维速度和时间等所需数据。
GPS接收机可以分为天线单元和接收单元两大部分。天线单元由接收天线和前置放大器两部分组成。接收天线大多采用全向天线，可接收来自任何方向的GPS信号，并将电磁波能量转化为变化规律相同的电流信号。前置放大器可将极微弱的 GPS电流信号予以放大。接收单元的核心部件是信号通道和微处理器。信号通道主要有平方型和相关型两种形式，所具有的信号通道数目不等。利用多个通道同时对多个卫星进行观测，实现快速定位。接收机所采集的定位数据存储在存储器中，以供后续处理之用。微处理器具有各种数据处理软件，能选择合适的卫星进行测量，以获得最佳的几个图形；能根据观测值和卫星的星历进行计算，求得所需定位信息。
软件也是GPS接收机的重要组成部分，软件包括内置软件和应用软件两部分。内置软件控制接收机信号通道，按时序对各卫星信号进行测量和处理；控制微处理器自动操作，以及与外设接口。这类软件已经和接收机融为一体，一般固化在GPS接收机的存储器中。应用软件主要指对观测数据进行后续处理的一些软件，要求功能齐全，能够改善位置、速度和时间精度，提高作业效率，方便用户使用，满足用户的多方面要求，开拓新的应用领域。软件的质量与功能已经成为反映GPS接收机的一个重要指标。
2.2 全球定位系统的原理
全球定位系统能够为全球用户提供高精度的位置、速度和时间等信息，现在简要介绍其定位原理、测速原理和授时原理。
2.2.1 GPS定位原理
GPS定位按照测量方法主要有伪距测量法、多普勒测量法、载波相位测量法和干涉法四种，其中伪距测量法简单易行，应用较为广泛，在此只介绍伪距测量法的原理。
通过测定卫星与用户之间的距离来确定用户位置的方法，称为卫星测距定位法。用户接收机接收卫星信号，测定卫星至用户的传播时间，从而确定卫星至用户的距离的方法，称为卫星无源测距。
距离和电波传播延迟时间的关系如下：
R =c ×T (2.1)
其中式中c为光速，T为电波传播延迟时间，R为卫星至用户的距离。根据卫星信号所含有的卫星的星历信息，可以求得每颗卫星在发射时刻的位置，从而确定用户的位置在以卫星为球心，以R为半径的球面上。用同样的方法，测定用户至三颗卫星的距离，可以确定用户在空间的位置，即三个球面的交点。如果测量点在地面上，则只需要测量二维位置，故只需测定用户至两颗卫星的距离就可以测定用户的位置。
卫星无源测距定位原理简单。但是要测定用户至卫星的距离，就要测量卫星至用户的电波传播延迟时间，为此用户时间必须和卫星钟时间保持准确的同步。这就需要卫星和用户同时配备精确的原子钟。由于原子钟非常昂贵，一般用户是不可能配用原子钟的。因此卫星无源测距定位只能用于地面站测控卫星或某些特种用户。
由于普通用户不能配备原子钟，用户接收设备测量得到的用户至卫星的距离就包含了由卫星钟和用户钟的钟差引入的误差。称这种含有钟差误差的测量距离为“伪距”。
测点P至第i颗卫星Si的伪距PRi可由下式确定：
在（2.4）式中，卫星位置(Xsi ,Ysi , Zsi ) 和卫星钟偏差Δtsi到包含在导航电文中，可以通过解调卫星电文并通过计算获得；电波传播延迟误差ΔtAi用双频测量法修正，或者利用卫星电文所提供的校正参数根据电波传播模型估算得到。伪距PRi由接收机测定。
这样在（2.4）式中观测点位置(X ,Y, Z) 和钟差Δtu 为方程中的4个未知数，需要通过求解方程组获得。所以
GPS接收机只要获得4颗卫星的伪距，就可能得到4个方程，才能求解所有未知数。这也就是为什么必须至少观测到4颗卫星才能进行三维坐标定位的原因。对于陆上或者海上用户来说，如果知道天线的高度，则只需要测量用户至3颗卫星的伪距就可以确定二维位置和用户钟相对于GPS系统时的偏差。
差分GPS（Differential GPS, DGPS）可以进一步提高定位的精度。差分GPS的原理是把高精度的GPS接收机安装在已知准确位置的基准站上，通过GPS测定位置与基准站实际位置可以求得伪距测量误差，基准站将此误差作为校正值，向周围空间发送，附近的GPS接收机接受到此校正信号后，可以通过它修正自身的GPS测量值，从而提高定位精度。
2.2.2 GPS测速原理
按照类似于求解用户位置和钟差的方程式（2.4），可以列出4颗卫星距离变化率方程。根据已经测定的伪距和解得的用户位置，通过对卫星信号的多普勒频移的测量，可以求得用户的三维速度和钟差的变化率。
将伪距方程变化为距离变化方程：
.
2.2.3 GPS授时原理
GPS授时具有精度高，方法简便，可在全球连续、实时进行等优点，GPS授时原理可以分为单站法和共视法两种
如果授时用户的位置已知，卫星位置可以通过GPS接收机所获得的卫星导航电文求得，因此可以计算卫星到用户接收机之间的距离，从而，可以计算出卫星发射信号的电波传播延迟。另外，由导航电文可以获得信号发射时刻的卫星钟时间，把发射信号的时刻的卫星钟时间加上电波传播延迟，就可以确定在接收时刻的卫星钟时间。用导航电文中的卫星钟修正参数，根据接收机中的卫星钟的修正模型，对上述卫星钟时间进行修正。修正后的卫星钟时间就是GPS系统时间。因为GPS 卫星昼夜向全球发射信号，卫星钟时间都同步GPS系统时间，所以分散在全球的用户都可以将它们的时间同步到 GPS系统时间上。由于用户位置已知，授时接收设备不需要求解位置。授时用户是无源的，用户不发射信号，只需要接收一颗卫星的信号。
如果用户的位置未知，只要 GPS接收机能够同时接收到 4颗的卫星的信号，可以根据方程式（ 2.4）组成的方程组，求出用户钟的钟差 Δtu 和位置（ X，Y，Z）。用此进行时间传递，用户不需要预先知道测量点的位置，在运载体上的 GPS接收机可以取得精密时间。
在 GPS导航电文中还包含 GPS时间和 UTC时间之间的偏差数据。因此用户钟的时间可以自动同步到 UTC时间上。
共视法时间传递是在地理坐标确定的两地设置时间传递系统设备，在两地同时接收同一卫星的信号，取得本地钟对于卫星钟的钟差。再将两地所得钟差相减，就可两地钟的钟差。
共视法时间传递能够基本消除 GPS时间因 SA引入的误差、星历误差、电离层和对流层引入的误差。这是因为在两地距离不大的情况下，这些误差值基本上是相同或相干的，通过两地钟差相减，可以消除大部分误差，从而提高了时间传递精度。
2.3全球定位系统的应用
GPS对人类活动的影响极大，应用价值极高。它可以从根本上解决人类在地球上的导航和定位问题，可以满足各种不同用户的需要。虽然最初GPS卫星定位系统是为军事用途而设计，但其精密的全球定位、简便的观测、优异的实时性、丰富的功能、良好的抗干扰性能、极强的保密性等特点，使其获得了广泛的应用。近年来，对 GPS卫星的应用开发表明，用 GPS信号可以进行海陆空导航、导弹制导、精密定位、工程测量、设备安装、大地测量、速度测量等。GPS的应用主要分为两种类型，一种为单机应用，即采用独立的接收机做单点静态或动态定位测量，另一种则以GPS接收机配合中心控制站，辅以无线数据通讯设备，实时进行数据交换，构成GPS应用系统。对舰船而言，它能在海上协同作战、海洋交通管制、石油勘 探、海洋捕鱼、管道铺设、暗礁定位、海港领航等方面做出贡献；对飞机而言，它可在飞机起飞、中途导航、着陆、空中会合、空中加油和武器投掷、空中交通管制等方面进行服务；在陆地上可以用于各种车辆、坦克、陆军部队等的定位，还可用于大地测量、野外考察、勘探定位，甚至深入到每个人的生活之中；在空间技术方面，可以用于弹道导弹制导、空间飞行器的导航定位等。对 GPS技术的研究和对 GPS信息资源的开发也给地学研究和应用提供了一种崭新的观测手段，并能进行快速的大地定位和布设大地网。有些学者指出，随着GPS系统的问世，将导致测绘行业、导航领域一场深刻的技术革命。
据统计目前GPS的全球用户数量已经超过1000万，相关产品和服务市场正在迅速扩大，GPS已经发展成为一个重要产业。据权威部门估计，2005年GPS的全球市场达到了150亿美元 [5]。全球定位系统产业的发展已经带起一个潜力巨大、竞争激烈的新兴市场。随着用户需求的明确以及技术的逐步完善，中国的卫星定位导航应用日趋成熟，已经进入应用行业的高速发展时期。中国的卫星定位导航产品与服务一直呈现出强劲得增长势头，据估计中国的GPS应用市场的总产值将超过100亿元，导航定位运营服务产值将超过30亿元。由于GPS技术的民用化在国内也仅是从20世纪90年代才正式开始，再加上国内技术的滞后，目前国内普遍应用的是美、日等国产品。因此，加强GPS原理以及应用方面的研究，迅速推出适合国情的GPS产品，具有巨大的社会效益和经济效益。
