定位系統(tǒng)是以確定空間位置為目標(biāo)而構(gòu)成的相互關(guān)聯(lián)的一個(gè)集合體或裝置(部件)。這個(gè)系統(tǒng)可以保證在任意時(shí)刻，地球上任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀測到至少4顆衛(wèi)星，以保證衛(wèi)星可以采集到該觀測點(diǎn)的經(jīng)緯度和高度，以便實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位、授時(shí)等功能。這項(xiàng)技術(shù)可以用來引導(dǎo)飛機(jī)、船舶、車輛以及個(gè)人，安全、準(zhǔn)確地沿著選定的路線，準(zhǔn)時(shí)到達(dá)目的地。主流定位系統(tǒng)除美國的GPS外，還有中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、俄羅斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)等。GPS系統(tǒng)的前身為美軍研制的一種子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Transit)，1958年研制，64年正式投入使用。該系統(tǒng)用5到6顆衛(wèi)星組成的星網(wǎng)工作，每天最多繞過地球13次，并且無法給出高度信息，在定位精度方面也不盡如人意。然而，子午儀系統(tǒng)使得研發(fā)部門對衛(wèi)星定位取得了初步的經(jīng)驗(yàn)，并驗(yàn)證了由衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行定位的可行性，為GPS系統(tǒng)的研制埋下了鋪墊。由于衛(wèi)星定位顯示出在導(dǎo)航方面的巨大優(yōu)越性及子午儀系統(tǒng)存在對潛艇和艦船導(dǎo)航方面的巨大缺陷。美國海陸空三軍及民用部門都感到迫切需要一種新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

PS是全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System)的縮寫，幾乎已成為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的代名詞。實(shí)際上，它是一個(gè)基于衛(wèi)星的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，最具優(yōu)勢的特點(diǎn)是：全球覆蓋、連續(xù)工作(全天候)、能服務(wù)于高精度和高動(dòng)態(tài)服務(wù)平臺(tái)。GPS系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，實(shí)際上是指衛(wèi)星星座、地面運(yùn)營控制系統(tǒng)，以及用戶設(shè)備。嚴(yán)格地說，還有一個(gè)環(huán)境段，即環(huán)境增強(qiáng)段。衛(wèi)星星座由6個(gè)軌道面內(nèi)的24顆衛(wèi)星構(gòu)造，衛(wèi)星軌道為中高圓軌道(約2萬公里)，衛(wèi)星發(fā)送測距信號和導(dǎo)航信息數(shù)據(jù)(導(dǎo)航電文)，衛(wèi)星信號的編碼為碼分多址(CDMA)方式。地面運(yùn)營控制系統(tǒng)承擔(dān)衛(wèi)星星座的跟蹤和維持任務(wù)，要求監(jiān)測衛(wèi)星的健康情況，信號的完好性，保持衛(wèi)星的軌道配置。由此可見，地面控制網(wǎng)絡(luò)尚需不斷更新衛(wèi)星時(shí)鐘誤差修正、衛(wèi)星星歷，以及一系列對確定用戶位置、速度和時(shí)間(PVT)至關(guān)重要的參量。用戶設(shè)備用于接收來自衛(wèi)星星座信號，并計(jì)算出所需的位置、速度和時(shí)間(PVT)信息。GPS提供兩種服務(wù)：標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS)和精密定位服務(wù)(PPS)。

全球定位系統(tǒng)，簡稱GPS，是一種由美國國防部開發(fā)并維護(hù)的中距離圓型軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它能夠?yàn)榈厍蛏辖^大部分地區(qū)(約98%)提高精度的定位、測速和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)。無論是軍事用戶還是其他用戶，只要身處全球任何角落或近地空間，都能通過GPS連續(xù)精確地確定其三維位置、三維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和時(shí)間。該系統(tǒng)由太空中的24顆GPS衛(wèi)星、地面上的主控站、數(shù)據(jù)注入站、監(jiān)測站以及用戶端的GPS接收機(jī)共同組成。僅需三顆衛(wèi)星，用戶端便能迅速確定其在地球上的位置及海拔高度。而隨著接收到的衛(wèi)星數(shù)量增多，解碼出的位置精度也會(huì)相應(yīng)提高。

自1970年代開始研制至1994年全面建成，GPS系統(tǒng)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展與完善。用戶只需配備GPS接收機(jī)，便可享受這一服務(wù)，且無需支付額外費(fèi)用。GPS信號分為民用的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)和軍規(guī)的精確定位服務(wù)兩類。為確保民用訊號的安全性，美國曾對其加入選擇性誤差以降低其精確度，但自2000年起，克林頓政府決定取消該干擾措施，使得民用GPS的定位精度也達(dá)到了十米左右。GPS系統(tǒng)憑借其多種優(yōu)勢在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。其低頻訊號具有良好的穿透性，即使在惡劣天氣條件下也能保持穩(wěn)定的信號質(zhì)量;全球覆蓋率高，可達(dá)98%以上;定位、定速、定時(shí)精度高，且快速、省時(shí)、高效;功能多樣，應(yīng)用廣泛;可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)定位;更重要的是，其使用過程中接收機(jī)無需發(fā)出任何信號，增強(qiáng)了隱蔽性，提升了軍事應(yīng)用的價(jià)值。GPS系統(tǒng)的前身，子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)，起源于1958年的美軍研制，并在1964年正式投入使用。這個(gè)系統(tǒng)雖然每天能繞地球最多13次，但無法提供高度信息，定位精度也有待提高。然而，它為后來的GPS系統(tǒng)研發(fā)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，驗(yàn)證了衛(wèi)星定位的可行性。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航在軍事和民用方面的需求日益增長，尤其是對潛艇和艦船導(dǎo)航的迫切需求，美國海陸空三軍及民用部門共同推動(dòng)了GPS系統(tǒng)的研發(fā)。

在研發(fā)過程中，美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室提出了Tinmation計(jì)劃，旨在構(gòu)建一個(gè)由12到18顆衛(wèi)星組成的全球定位網(wǎng)。該計(jì)劃于1967年、1969年和1974年分別發(fā)射了試驗(yàn)衛(wèi)星，并初步試驗(yàn)了原子鐘計(jì)時(shí)系統(tǒng)，為GPS的精確定位奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，美國空軍也提出了621-B計(jì)劃，該計(jì)劃以偽隨機(jī)碼為基礎(chǔ)傳播衛(wèi)星測距信號，具有強(qiáng)大的檢測功能。然而，海軍和空軍的計(jì)劃各有側(cè)重，且系統(tǒng)過于復(fù)雜。為了節(jié)省研發(fā)成本并整合資源，美國國防部于1973年將兩個(gè)計(jì)劃合并，并成立了由國防部牽頭的衛(wèi)星導(dǎo)航定位聯(lián)合計(jì)劃局(JPO)來統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)。該機(jī)構(gòu)匯聚了美國陸軍、海軍、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)、交通部以及北約和澳大利亞的代表，共同推動(dòng)GPS系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用。

GPS，即全球定位系統(tǒng)，是由美國精心部署并運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它包含27顆衛(wèi)星，其中24顆在正常工作，3顆作為備用，這些衛(wèi)星均勻分布在六個(gè)軌道上。通常，地面上的GPS接收器能夠接收到5至12個(gè)衛(wèi)星信號。為了確定地面上的精確位置，至少需要4個(gè)衛(wèi)星信號，其中三個(gè)用于確定接收器的緯度、經(jīng)度和海拔高度，而第四個(gè)信號則用于同步校正時(shí)間。

太空衛(wèi)星部分：包含24顆繞極使用的衛(wèi)星，它們分布在六個(gè)軌道上，運(yùn)行在約20200公里的高空。這些衛(wèi)星每顆都持續(xù)發(fā)射攜帶衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)和時(shí)間的無線電波，供地球上的接收機(jī)使用。地面管制部分：負(fù)責(zé)追蹤和控制上述衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)。它的主要任務(wù)是修正和維護(hù)每個(gè)衛(wèi)星的參數(shù)數(shù)據(jù)，確保每個(gè)衛(wèi)星都能提供準(zhǔn)確的訊息給用戶接收機(jī)。用戶接收機(jī)：負(fù)責(zé)追蹤所有GPS衛(wèi)星，并實(shí)時(shí)計(jì)算出接收機(jī)所在位置的坐標(biāo)、移動(dòng)速度和時(shí)間。我們通常所說的GPS，就是指這一部分。經(jīng)常有人詢問GPS的月租費(fèi)用、每分鐘費(fèi)用以及是否可以包月等問題。但實(shí)際上，與廣播信號相似，GPS信號的接收是免費(fèi)的。美國通過27顆衛(wèi)星向地面免費(fèi)發(fā)送信號，您只需配備一個(gè)GPS衛(wèi)星信號接收器，便能免費(fèi)接收這些信號。再結(jié)合裝有導(dǎo)航軟件的設(shè)備，如掌上電腦等，即可實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航功能。

GPS接收機(jī)的工作原理后，我們進(jìn)一步整理和探討與GPS相關(guān)的幾個(gè)重要問題。這些問題包括但不限于：GPS衛(wèi)星信號的傳輸特性、接收機(jī)對信號的捕獲與跟蹤技術(shù)、以及定位算法的精度與效率等。通過深入探討這些問題，我們可以更全面地理解GPS系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制和性能特點(diǎn)。

1、許多GPS接收機(jī)都聲稱支持A-GPS技術(shù)，這是否意味著它們需要在GPS基站中添加輔助算法，并通過GPRS/CDMA等無線網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換來獲取位置信息呢?

A-GPS，即輔助GPS技術(shù)，是一種結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)基站與GPS衛(wèi)星定位的革新性技術(shù)。它能在GSM/GPRS、WCDMA以及CDMA2000等移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中發(fā)揮作用。首次定位時(shí)間(TTFF)是衡量GPS接收機(jī)性能的重要指標(biāo)，它受到接收器靈敏度、可見衛(wèi)星數(shù)量、衛(wèi)星信號強(qiáng)度、衛(wèi)星分布以及接收器視角等多重因素的影響。A-GPS技術(shù)的引入旨在縮短TTFF，或在無法縮短時(shí)，至少能實(shí)現(xiàn)定位運(yùn)算功能。

要實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需增設(shè)位置服務(wù)器、差分GPS基準(zhǔn)站等關(guān)鍵設(shè)備。為提升該方案在GPS信號受屏蔽區(qū)域如室內(nèi)的定位效能，還需引入類似于EOTD方案中的位測量單元(LMU)。接下來，我們將深入探討A-GPS的具體工作原理。

A-GPS接收機(jī)首先將自身位置信息發(fā)送給位置服務(wù)器。位置服務(wù)器根據(jù)這一信息，傳輸與該位置相關(guān)的GPS輔助數(shù)據(jù)，包括星歷和方位俯仰角等，至接收機(jī)。接收機(jī)的A-GPS模塊利用這些輔助數(shù)據(jù)，提升對GPS信號的捕獲速度。一旦接收機(jī)鎖定GPS信號，便會(huì)將相關(guān)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)回傳給位置服務(wù)器。位置服務(wù)器再通過網(wǎng)絡(luò)將最終位置信息發(fā)送給A-GPS接收機(jī)。