子午衛(wèi)星系統(tǒng)采用的是多譜勒導(dǎo)航的原理，即通過測定同一顆衛(wèi)星四個不同的間隔時段其信號的多譜勒效應(yīng)，得出衛(wèi)星在四段時間間隔的視向位移，從而獲得四個旋轉(zhuǎn)雙曲面，計算這四個旋轉(zhuǎn)雙曲面的交點來進行定位。
子午衛(wèi)星系統(tǒng)存在著很多缺陷，特別是：一次定位時間過長，無法滿足高速用戶的需要；衛(wèi)星出現(xiàn)時間間隔過長，無法滿足連續(xù)導(dǎo)航的需要；定位精度過低，無法滿足現(xiàn)實應(yīng)用中的精度要求。
因此，美國國防部不得不著手研究下一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。于是，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的歷史大幕緩緩拉開，GPS慢慢走向了舞臺中央。
1973年12月，美國國防部批準陸、海、空三軍聯(lián)合研制第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也就是我們熟知的全球定位系統(tǒng)（GPS）。該系統(tǒng)全稱為“衛(wèi)星測時測距導(dǎo)航/全球定位系統(tǒng)”（Navigation Satelite Timing And Ranging/Global Position System），是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實時性的導(dǎo)航、定位和定時的功能，能為各類用戶提供精密的三維坐標(biāo)、速度矢量和精確授時。
GPS計劃經(jīng)歷了方案論證階段（1974-1978年），系統(tǒng)論證階段（1979-1987年），試驗生產(chǎn)階段（1988-1993年），總投資300億美元，并于1993年全部建成。
下面我們就來了解一下GPS的基本情況：
GPS的定位原理
GPS的定位原理可參考相關(guān)文章《南哥說北斗：北斗衛(wèi)星是如何定位的？》，那篇文章已經(jīng)對GPS系統(tǒng)和BDS系統(tǒng)的定位原理進行了比較詳盡的描述。
GPS系統(tǒng)組成
GPS系統(tǒng)主要由空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分組成。
1、空間星座部分
GPS衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星組成，其中21顆為工作衛(wèi)星，3顆為備用衛(wèi)星。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面上，每個軌道面上有4顆衛(wèi)星，衛(wèi)星運行軌道高度為距地表20200千米，運行周期為11小時58分（12恒星時）。衛(wèi)星軌道面相對于地球赤道面的軌道傾角為55°，各軌道平面的升交點的赤經(jīng)相差60°，一個軌道平面上的衛(wèi)星比相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星升交角距超前30°。
GPS衛(wèi)星采用蜂窩結(jié)構(gòu)，主體呈柱形，直徑為1.5m，重量約774kg，使用壽命為7年。衛(wèi)星兩側(cè)裝有兩塊雙葉對日定向太陽能電池帆板，全長5.33m，接受日光面積為7.2m2，并配置三組15A的鎳鎘電池為衛(wèi)星提供所需的電能。
GPS 衛(wèi)星產(chǎn)生兩組電碼, 一組稱為C/ A 碼( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一組稱為P 碼(Procise Code 10123MHz) , P 碼因頻率較高,不易受干擾, 定位精度高, 因此受美國軍方管制, 并設(shè)有密碼, 一般民間無法解讀, 主要為美國軍方服務(wù)。C/ A 碼人為采取措施而刻意降低精度后,主要開放給民間使用。
GPS衛(wèi)星早期采用銣原子鐘，相對頻率穩(wěn)定度達到10~12量級/秒，誤差8m。1977年，BOKCK Ⅱ型采用了銫原子鐘，相對穩(wěn)定頻率達到10~13量級/秒，誤差則降為2.9m。1981年，BLOCK ⅡR型衛(wèi)星采用了氫原子鐘，相對穩(wěn)定頻率為10 ～ 14量級/秒，誤差僅為1m。
2、地面監(jiān)控部分
地面監(jiān)控部分主要由1個主控站、3個注入站和5個監(jiān)測站組成。
(1) 主控站
主控站設(shè)在美國本土科羅拉多空間中心。它除了協(xié)調(diào)管理地面監(jiān)控系統(tǒng)外，還負責(zé)將監(jiān)測站的觀測資料聯(lián)合處理推算衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣修正參數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)編制成導(dǎo)航電文送到注入站。此外，它還可以調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定軌道運行或啟用備用衛(wèi)星。
(2) 注入站
注入站設(shè)在阿松森群島、迭哥伽西亞、卡瓦加蘭。其主要任務(wù)是將主控站編制的導(dǎo)航電文，通過直徑為3.6m的天線注入給相應(yīng)的衛(wèi)星。
(3) 監(jiān)測站
監(jiān)測站設(shè)在科羅拉多、阿松森群島、迭哥伽西亞、卡瓦加蘭和夏威夷。站內(nèi)設(shè)有雙頻GPS接收機、高精度原子鐘、氣象參數(shù)測試儀和計算機等設(shè)備。主要任務(wù)是完成對GPS衛(wèi)星信號的連續(xù)觀測，并將搜集的數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)貧庀笥^測資料經(jīng)處理后傳送到主控站。
3、用戶設(shè)備部分
用戶設(shè)備是指用戶GPS接收機。其主要任務(wù)是捕獲衛(wèi)星信號，跟蹤并鎖定衛(wèi)星信號。對接收的衛(wèi)星信號進行處理，測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線間的傳播時間。能譯出GPS衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航電文，實時計算接收機天線的三維坐標(biāo)、速度和時間。
覆蓋范圍
GPS是覆蓋全球的全天候?qū)Ш较到y(tǒng)，衛(wèi)星通過天頂附近時可觀測時間為5小時，在地球表面任何地方、任何時刻高度15度以上的可觀測衛(wèi)星至少有4顆，平均有6顆，最多達到11顆。
1、GPS應(yīng)用于導(dǎo)航
（1）武器導(dǎo)航：精確制導(dǎo)導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈；
（2）車輛導(dǎo)航：車輛調(diào)度、監(jiān)控系統(tǒng)、汽車自主導(dǎo)航、地面車輛跟蹤、城市智能交通管理；
（3）船舶導(dǎo)航：遠洋導(dǎo)航、港口/內(nèi)河引水；
（4）飛機導(dǎo)航：航線導(dǎo)航、進場著陸控制；
（5）星際導(dǎo)航：衛(wèi)星軌道定位；
（6）個人導(dǎo)航：個人旅游、野外探險。
2、GPS應(yīng)用于授時校頻
（1）電力，郵電，通訊等網(wǎng)絡(luò)的時間同步；
（2）準確時間的授入。
3、 GPS應(yīng)用于高精度測量
（1）各種等級的大地測量，控制測量；
（2）道路和各種線路放樣；
（3）水下地形測量；
（4）工程機械（輪胎吊、推土機等）控制；
（5）精細農(nóng)業(yè)。
4、GPS應(yīng)用于定位
（1）車輛防盜系統(tǒng)；
（2）手機、PDA、PPC等通信移動設(shè)備防盜、電子地圖、定位系統(tǒng)；
（3）兒童及特殊人群的防走失系統(tǒng)。
