3.2 美国GPS
3.2.1 系统简介
GPS是由美国国防部发展、美军空军第50航空连队管理的新一代以空间为基地的无线电导航系统，其全称为“授时与测距导航系统/全球定位系统”（NAVSTAR/GPS）。GPS在全世界范围内提供具有全球性、全天候、高精度和实时连续的定位、导航和定时功能。
经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，美国于1994年3月完成了全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星的布设。GPS卫星一天绕地球两圈，轨道高度约20200km，分布在6个交点互相间隔60°的轨道面上，每个轨道面内的卫星数并不相同。在导航定位中，GPS采用的是世界大地坐标系（WGS-84）。
GPS的基本原理是测量已知位置的卫星与用户接收机之间的距离，然后综合至少4颗卫星的数据计算接收机的具体位置。如图3-1所示，GPS卫星广播无线电信号，提供它们的位置、状态和精确时间{t1}；随后，无线电信号以光速穿过太空；最后，地球上的GPS设备接收无线电信号，记录信号的确切到达时间{t2}，并使用接收到的数据计算接收设备与视野中每颗卫星的距离，从而实现定位测量的目的。
GPS能为用户提供精确的三维坐标、速度和时间等信息。在定位精度方面，在95%的情况下，GPS定位的距离误差小于7.8m。例如，支持GPS的智能手机在开阔的环境下，通常定位可精确到半径为4.9m的范围内。但是，定位的准确性随着周围的建筑物、桥梁和树木的增多而变差。高端用户则通过使用双频接收机或增强系统的方式来提高GPS的定位精度。GPS定位精度高，观测时间短，由于其起步早，技术成熟，已经成了目前世界上军用和民用领域的卫星导航系统的第一选择。
GPS由空间段、地面段和用户段3个部分组成。空间段包括所有在轨工作的卫星。地面段包括所有与系统监控有关的地球站：主控站、监控站和地面控制站。用户段包括所有的民用用户和军用用户。空间段和用户段的通信是单向的，而空间段与地面段的通信则是双向的。空间段将来自卫星的信号，如时间脉冲、卫星健康状况、年历等传递给用户段和地面段。地面段可以将地面控制的信息传递给空间段。
图3-1 GPS的基本原理
3.2.2 空间段
1.GPS星座
GPS的空间段包括一个由24颗卫星组成的象征性星群，其中有3颗备用卫星。这些卫星发射单向的无线电信号，给出当前GPS卫星的位置和时间。GPS卫星在中轨道飞行，分别在6个不同的轨道面上围绕地球运转，卫星的轨道面相对于地球赤道面的倾角为55°，各轨道面升交点的赤经相差60°，一条轨道上的两颗卫星之间的升交角距相差90°。每颗卫星的运行周期都是11时58分。由于地球自身的运转，GPS卫星会在约24h后重返其相对于地球的出发位置。用户能够从地球上几乎任何地点、任何时间，在高度角大于15°的条件下观测到4颗以上的卫星。GPS星座是新旧卫星的混合体。如表3-1所示，GPS星座中包含了4种型号：GPS-2A、GPS-2R、GPS-2R-M、GPS-2F。其中，GPS-2F卫星是GPS从第二代向第三代过渡的最后一种型号。
表3-1 GPS卫星型号对比（截至2018年5月）
GPS不断地更新换代，截至2020年9月9日，GPS在轨工作的卫星共有30颗。
2.GPS卫星
GPS卫星主体呈圆柱形，重约774kg，主体两侧配有能自动对太阳进行定向的双翼太阳能集电板，可以提供卫星正常工作的电源。这些卫星通过其驱动系统保持运转并稳定在相应的轨道位置。所有的GPS卫星都载有4台高精度原子钟（2台铷钟和2台铯钟），用来发射标准频率，提供高精度的时间信息，保持信号同步。
GPS卫星产生两种代码：一种为粗捕获码（C/A码，Coarse/Acquisition Code，11023MHz）；另一种为精测距码（P码，Precise Code，10123MHz）。每个GPS卫星都会在L1（中心频率为1575.42MHz）和L2（中心频率为1228MHz）两个载波上发送直接序列扩频信号。其中，L1信号为开放的民用信号，信号强度在-166dBW左右，包含C/A码和P码两种代码。L2频段只用于军用场合，因此仅含有P码。GPS卫星使用的L1信号均为同一个频率，但相互之间不会发生干扰，因为GPS卫星都由覆盖了2.046MHz频段的PRN代码进行了扩频。经过PRN代码扩频后的GPS信号不仅能区别于其他信号，还具有抗干扰能力。
3.空间段功能
在GPS中，GPS卫星的主要功能在于以下两方面。
（1）接收、存储、处理并执行由地面监控系统发送的控制指令，如调整卫星姿态、修正时间参数、启用备用时钟等。
（2）向用户发送导航和定位信息，提供时间标准、卫星自身的实时空间坐标及其他在轨卫星的粗略位置等。
3.2.3 地面段
GPS的地面段是指GPS的地面监测和控制系统，由一个全球地面实施网络组成，该网络跟踪GPS卫星，监测它们的传输，进行分析，并向星座发送控制命令和数据信息。地面的控制部分包含监测站、主控站和注入站（地面天线）三部分。目前，GPS有16个监测站、1个主控站、1个备用主控站及11个注入站。
1.监测站
监测站（含空军监测站和美国国家地理空间情报局监测站）通过16个站点提供全球覆盖，利用复杂的GPS接收机跟踪从监测站上空经过的GPS卫星；收集导航信号、范围测量数据和大气数据等，并将观测结果输入主控站。
2.主控站
主控站的功能是提供对GPS星座的命令和控制；使用全球监测站的数据计算卫星的精确位置；监测卫星广播和系统的完整性以确保星座健康；生成用于上传到卫星的导航信息；执行卫星维护，包括重新定位卫星以保持最佳的星座。目前主控站有一个完全可控的备用主控站备份，它们使用不同的系统（AEP和LADO）控制运行卫星和非操作卫星。
3.注入站
注入站由7个专用的GPS地面天线和4个空军卫星控制网（AFSCN）远程跟踪站组成。注入站负责收集遥测数据、向卫星发送命令、上传导航数据及加载处理器程序。注入站通过S频段进行通信，并执行S频段测距，以提供异常分辨率和早期的轨道支持。
为了能够指挥和控制较新的GPS卫星，并加强网络安全，美国空军一直在不断升级GPS的控制部分。
3.2.4 用户段
GPS的用户段包含GPS接收机、数据处理软件、微处理机和终端设备等。GPS接收机有天线、主机和电源三部分。其主要功能是跟踪并接收GPS卫星发射的信号，对这些信号进行变换、放大等处理，再测算信号从GPS卫星到接收机的时间，并解译导航电文，计算测站的三维位置、三维速度和时间，从而获得用户需要的导航及定位信息。
GPS数据处理软件部分主要是对观测的数据进行精加工，以获得更精确的定位信息。
根据接收到的GPS卫星信号的频率，GPS接收机分为单频（L1）接收机和双频（L1和L2）接收机。根据GPS接收机的用途，其分为导航型接收机、测量型接收机和授时型接收机。
3.2.5 系统应用
GPS是全球信息基础设施的重要组成部分。GPS的开放、可靠等特性，使得其在各行各业都有广泛的应用。
在科学研究方面，GPS可以用于监测全球区域的板块运动和地壳运动，根据测定的板块运动的速度、方向和变形量等信息，对地震进行预报和危险性分析。GPS也可以用来探测大气水汽含量、部分区域的温度廓线等信息，从而对全球的天气和气候进行监测与预报。
在工程技术方面，GPS建立了覆盖全球坐标系统之一的高精度大地控制网，为大地测量的科研任务提供了强大的基础。随着GPS的发展，航空摄影测量领域也出现了GPS辅助航空摄影测量技术。除此之外，GPS还在智能交通系统、海洋测绘，以及其他精密工程测量、工程结构变形检测中发挥着很大的作用。
在军事方面，GPS可以用于各种军事载体导航，如巡航导弹、空地导弹、弹道导弹等需要精确打击的武器。GPS可以提高军事武器的命中率。
在精细农业方面，GPS技术与遥感技术相结合，再配合地理信息系统，可以使机器获取农田定位信息，自动完成指定区域的农机作业，降低农业生产成本。
在林业管理方面，GPS可以用于确定林场的面积及道路位置，估算林场树木的覆盖率，寻找水源和测定地界线等。在发生森林火灾时，GPS技术还可以协助检测燃烧区域，为灭火提供决策依据。
此外，邮电、煤矿、石油、建筑、考古、电信、公安、城市规划及金融等领域也对GPS开展了研究和应用。不仅如此，各种新兴的产业在不断地结合GPS技术，GPS技术自身也在不断地更新和发展，因此其有着广阔的应用前景。