GPS系统的运行机制全面理解和性能特点

定位系统是以确定空间位置为目标而构成的相互关联的一个集合体或装置(部件)。这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到至少4颗卫星，以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。主流定位系统除美国的GPS外，还有中国的北斗卫星导航系统、欧盟的伽利略卫星导航系统、俄罗斯全球导航卫星系统等。GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统(Transit)，1958年研制，64年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13次，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，为GPS系统的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆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。

PS是全球定位系统(Global Positioning System)的缩写，几乎已成为卫星导航系统的代名词。实际上，它是一个基于卫星的无线电导航系统，最具优势的特点是：全球覆盖、连续工作(全天候)、能服务于高精度和高动态服务平台。GPS系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，实际上是指卫星星座、地面运营控制系统，以及用户设备。严格地说，还有一个环境段，即环境增强段。卫星星座由6个轨道面内的24颗卫星构造，卫星轨道为中高圆轨道(约2万公里)，卫星发送测距信号和导航信息数据(导航电文)，卫星信号的编码为码分多址(CDMA)方式。地面运营控制系统承担卫星星座的跟踪和维持任务，要求监测卫星的健康情况，信号的完好性，保持卫星的轨道配置。由此可见，地面控制网络尚需不断更新卫星时钟误差修正、卫星星历，以及一系列对确定用户位置、速度和时间(PVT)至关重要的参量。用户设备用于接收来自卫星星座信号，并计算出所需的位置、速度和时间(PVT)信息。GPS提供两种服务：标准定位服务(SPS)和精密定位服务(PPS)。

全球定位系统，简称GPS，是一种由美国国防部开发并维护的中距离圆型轨道卫星导航系统。它能够为地球上绝大部分地区(约98%)提高精度的定位、测速和时间标准服务。无论是军事用户还是其他用户，只要身处全球任何角落或近地空间，都能通过GPS连续精确地确定其三维位置、三维运动状态和时间。该系统由太空中的24颗GPS卫星、地面上的主控站、数据注入站、监测站以及用户端的GPS接收机共同组成。仅需三颗卫星，用户端便能迅速确定其在地球上的位置及海拔高度。而随着接收到的卫星数量增多，解码出的位置精度也会相应提高。

自1970年代开始研制至1994年全面建成，GPS系统经历了数十年的发展与完善。用户只需配备GPS接收机，便可享受这一服务，且无需支付额外费用。GPS信号分为民用的标准定位服务和军规的精确定位服务两类。为确保民用讯号的安全性，美国曾对其加入选择性误差以降低其精确度，但自2000年起，克林顿政府决定取消该干扰措施，使得民用GPS的定位精度也达到了十米左右。GPS系统凭借其多种优势在全球范围内得到了广泛应用。其低频讯号具有良好的穿透性，即使在恶劣天气条件下也能保持稳定的信号质量;全球覆盖率高，可达98%以上;定位、定速、定时精度高，且快速、省时、高效;功能多样，应用广泛;可实现移动定位;更重要的是，其使用过程中接收机无需发出任何信号，增强了隐蔽性，提升了军事应用的价值。GPS系统的前身，子午仪卫星定位系统，起源于1958年的美军研制，并在1964年正式投入使用。这个系统虽然每天能绕地球最多13次，但无法提供高度信息，定位精度也有待提高。然而，它为后来的GPS系统研发积累了宝贵经验，验证了卫星定位的可行性。随着卫星导航在军事和民用方面的需求日益增长，尤其是对潜艇和舰船导航的迫切需求，美国海陆空三军及民用部门共同推动了GPS系统的研发。

在研发过程中，美国海军研究实验室提出了Tinmation计划，旨在构建一个由12到18颗卫星组成的全球定位网。该计划于1967年、1969年和1974年分别发射了试验卫星，并初步试验了原子钟计时系统，为GPS的精确定位奠定了基础。同时，美国空军也提出了621-B计划，该计划以伪随机码为基础传播卫星测距信号，具有强大的检测功能。然而，海军和空军的计划各有侧重，且系统过于复杂。为了节省研发成本并整合资源，美国国防部于1973年将两个计划合并，并成立了由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局(JPO)来统一领导。该机构汇聚了美国陆军、海军、海军陆战队、交通部以及北约和澳大利亚的代表，共同推动GPS系统的研发和应用。

GPS，即全球定位系统，是由美国精心部署并运行的卫星导航系统。它包含27颗卫星，其中24颗在正常工作，3颗作为备用，这些卫星均匀分布在六个轨道上。通常，地面上的GPS接收器能够接收到5至12个卫星信号。为了确定地面上的精确位置，至少需要4个卫星信号，其中三个用于确定接收器的纬度、经度和海拔高度，而第四个信号则用于同步校正时间。

太空卫星部分：包含24颗绕极使用的卫星，它们分布在六个轨道上，运行在约20200公里的高空。这些卫星每颗都持续发射携带卫星轨道数据和时间的无线电波，供地球上的接收机使用。地面管制部分：负责追踪和控制上述卫星的运转。它的主要任务是修正和维护每个卫星的参数数据，确保每个卫星都能提供准确的讯息给用户接收机。用户接收机：负责追踪所有GPS卫星，并实时计算出接收机所在位置的坐标、移动速度和时间。我们通常所说的GPS，就是指这一部分。经常有人询问GPS的月租费用、每分钟费用以及是否可以包月等问题。但实际上，与广播信号相似，GPS信号的接收是免费的。美国通过27颗卫星向地面免费发送信号，您只需配备一个GPS卫星信号接收器，便能免费接收这些信号。再结合装有导航软件的设备，如掌上电脑等，即可实现定位导航功能。

GPS接收机的工作原理后，我们进一步整理和探讨与GPS相关的几个重要问题。这些问题包括但不限于：GPS卫星信号的传输特性、接收机对信号的捕获与跟踪技术、以及定位算法的精度与效率等。通过深入探讨这些问题，我们可以更全面地理解GPS系统的运行机制和性能特点。

1、许多GPS接收机都声称支持A-GPS技术，这是否意味着它们需要在GPS基站中添加辅助算法，并通过GPRS/CDMA等无线网络或互联网进行数据交换来获取位置信息呢?

A-GPS，即辅助GPS技术，是一种结合了网络基站与GPS卫星定位的革新性技术。它能在GSM/GPRS、WCDMA以及CDMA2000等移动网络环境中发挥作用。首次定位时间(TTFF)是衡量GPS接收机性能的重要指标，它受到接收器灵敏度、可见卫星数量、卫星信号强度、卫星分布以及接收器视角等多重因素的影响。A-GPS技术的引入旨在缩短TTFF，或在无法缩短时，至少能实现定位运算功能。

要实现这一技术，移动网络需增设位置服务器、差分GPS基准站等关键设备。为提升该方案在GPS信号受屏蔽区域如室内的定位效能，还需引入类似于EOTD方案中的位测量单元(LMU)。接下来，我们将深入探讨A-GPS的具体工作原理。

A-GPS接收机首先将自身位置信息发送给位置服务器。位置服务器根据这一信息，传输与该位置相关的GPS辅助数据，包括星历和方位俯仰角等，至接收机。接收机的A-GPS模块利用这些辅助数据，提升对GPS信号的捕获速度。一旦接收机锁定GPS信号，便会将相关数据通过网络回传给位置服务器。位置服务器再通过网络将最终位置信息发送给A-GPS接收机。