早在全球定位系統 (GPS)出現之前，研究人員就努力尋找可行的解決方案來幫助旅行者避免迷路。早些時候，旅行者過去常常依靠精心制作的地圖來跟蹤和監控到達目的地的路線。但是今天，GPS 技術確保了無憂無慮的出行，并提高了車主的安全性。下圖說明了在軌運行的GPS 衛星。

圖 1：全球定位系統的代表性圖像

介紹

GPS 技術在美國軍方的努力下成為現實，美國軍方建立了一個由 24 顆繞地球運行的衛星組成的衛星導航系統。GPS 也稱為 NAVSTAR（定時和測距導航系統）。

GPS在全球范圍內適用于所有天氣條件，從而幫助用戶跟蹤位置、物體甚至個人！只要有 GPS 接收器，任何人都可以使用 GPS 技術。

應用

這項技術最初是為軍事應用而開發的。1980 年，政府決定將其也用于民用。GPS 已成為科學使用、商業、監視和跟蹤領域的有效工具。除了在難以檢測到信號的地方，例如水下、地下位置、建筑物內部和洞穴之外，都使用 GPS。

民用應用

· 導航——導航員使用它來進行定位和精確的速度測量。

· 地理標記——可以通過將位置坐標應用于照片和其他類型的文檔來創建地圖覆蓋。

· 測量——測量員創建地圖并驗證財產的邊界。

· 制圖——供平民和軍事制圖師使用。

· 構造學——檢測地震中的直接假動測量。

· 地理圍欄——車輛、人或寵物可以通過使用 GPS 車輛跟蹤系統、人員跟蹤系統和寵物跟蹤系統來檢測。

軍事應用

· 導航——士兵可以借助 GPS 在黑暗和未知區域找到目標。

· 搜救——了解墜機飛行員的位置，可以輕松追蹤其位置。

· 偵察——可以處理巡邏運動。

· 目標跟蹤——軍用武器系統使用 GPS 在空中目標和潛在地面被標記為敵對目標之前對其進行跟蹤。

· GPS攜帶一套核爆探測器（如光學傳感器、劑量計、電磁脈沖傳感器、X射線傳感器），是美國核爆探測系統的一部分。

· 導彈和射彈制導——瞄準軍事武器，如巡航導彈、精確制導彈****。

GPS的結構

GPS系統由三部分組成：空間段、用戶段和控制段。GPS的結構圖如下所示。

圖 2： 圖顯示 GPS 系統的結構

· 空間部分——衛星是全球定位系統的核心，它通過廣播接收器使用的信號來幫助定位。信號在穿過建筑物、山脈和人群時會被阻擋。為了計算位置，需要鎖定四顆衛星的信號。您需要繼續四處走動以獲得清晰的接收信號。

· 用戶部分——該部分包括軍事和民用用戶。它包括一個可以檢測信號（信號的功率小于燈泡的十億分之一功率）的靈敏接收器和一個將數據轉換為有用信息的計算機。GPS 接收器有助于定位您自己的位置，但不允許您被其他人跟蹤。

· 控制段——這有助于整個系統高效工作。傳輸信號必須更新，衛星應保持在適當的軌道上，這一點至關重要。

在職的

GPS 衛星每天在特定軌道上圍繞地球旋轉兩次。這些衛星向地球傳輸信號信息。該信號信息由 GPS 接收器接收，以便測量用戶的正確位置。GPS 接收器將衛星發送信號的時間與接收信號的時間進行比較。計算出的時間差使我們能夠知道衛星的距離。通過多測量幾顆衛星的距離，就可以驗證用戶的位置，并顯示在本機的電子地圖上。

要測量二維位置和跟蹤運動，GPS 接收器必須鎖定三顆衛星的信號。如果 GPS 接收器鎖定四顆或更多衛星的信號，則接收器可以測量 3D 位置（緯度、經度和高度）。

在確定用戶的位置時，GPS 單元可以測量速度、行程距離、方位、到目的地的距離、風向、日出和日落時間等。

GPS 接收器的類型

三種類型的 GPS 接收器提供不同的精度水平，并且具有不同的獲取精度的必要性是：

· 粗略捕獲 (C/A) 代碼接收器– 這些接收器提供 1-5 米的 GPS 定位精度和差分校正。占用時間為 1 秒，這些接收器可提供 1-5 米的 GPS 定位精度。如果占用時間長，GPS定位精度可以穩定在1-3米以內。

· 載波相位接收器——這些接收器提供 10-30 米的 GPS 定位精度和差分校正。對攜帶 C/A 信號的波進行計數，以計算衛星與接收器之間的距離。需要較長的占用時間才能獲得位置精度。

· 雙頻接收器——這些接收器提供亞厘米級的 GPS 定位精度和差分校正。這些接收器以兩種不同的頻率接收來自衛星的信號，以找出準確的位置。

注：差分改正是一種將野外采集的 GPS 數據與已知點采集的 GPS 數據進行比較的方法。

歷史

GPS 最初用于軍事應用，由美國國防部 (DOD) 于 1978 年建造。它最初稱為 NAVSTAR，隨著第一顆衛星的****而推出。

今天，大約有 30 顆完全運行的衛星環繞地球運行，距離為 20200 公里。這些 GPS 衛星傳輸的信號有助于定位 GPS 接收器的精確位置。最新的高效衛星技術確保擁有 GPS 接收器的任何個人都可以免費使用 GPS 信號。

GPS 的前身曾經是遍布全球已知地點的固定無線電臺。首先，主站發出信號，然后全球的從站開始響應。從站在精確的時間后發出這些信號。然后接收器開始評估接收主站和從站信號之間的時間延遲，從而確定相對于從站的位置。

固定無線電臺廣播對軍隊來說是個問題。這就是 1960 年代推出第一顆導航衛星 Transit 的主要原因。位置是在接收器的幫助下確定的，接收器計算了衛星廣播頻率與實際接收頻率的多普勒效應。在此之后，離衛星最近的接收器將獲得信息，隨后的讀數將精確地挑選出相對于衛星位置的位置。

現代衛星以不同的方式確定確切位置。衛星信號將包括衛星的位置和信號傳輸的時間。有了這一關鍵信息，地面部隊將能夠迅速有效地成功定位目標。每個衛星信號都將地面單元放置在衛星的球體上。然后將 GPS 接收器的位置識別為球體的交點（用于附加衛星信號）。

圖 3： 顯示現代衛星 GPS 跟蹤的代表性圖像

GPS在我們的日常生活中變得越來越重要。推出的新相機具有內置 GPS，以便在您拍照時提供信息（您所在位置的緯度和經度），并將信息標記在照片上。

開車時注意力很難集中在GPS屏幕上，因此開發者推出了“語音導航GPS”，讓駕駛者更方便、更安全。GPS 現在可以提供有關轉向的位置、到達目的地的剩余距離等信息。GPS 的其他單元是語音控制的。您可以發出語音命令來尋找替代路線。這使得這項技術非常有趣。

GPS 對徒步旅行者非常有用。GPS 會顯示您所在的街道，可以標記酒店的位置和要參觀的地方，這可以節省您的時間，而不是將寶貴的時間花在尋找路線上。

如果您打算去打獵、釣魚、探索、遠足等，尤其是如果您不太熟悉該地區，GPS 是必不可少的。徒步旅行者的 GPS 裝置重量輕、緊湊且防水。

重要日期

最新/當前的研究和主要發展在移動電話領域，當今對 GPS 接收器的需求非常大。幾年后，所有 GSM 電話都有望配備卓越的 GPS 技術，以幫助用戶進行導航。這種卓越的 GPS 技術還將有助于跟蹤其他啟用 GPS 移動功能的用戶。例如，焦慮的父母可以密切關注孩子的一舉一動。它還有助于跟蹤在高風險區域工作的個人。 另一個重要特征是現在非常需要的支持 GPS 的防盜系統。這有助于摩托車和汽車制造商精確定位被盜車輛。 藍牙GPS 接收器的形式為計算機用戶提供了巨大的推動力。這些接收器優于傳統連接，因為不需要電纜。GPS 也被引入供應鏈，以確保所有貨物運輸順利且免于盜竊。

今天面臨的問題

GPS 系統最常見的問題是準確性。準確性取決于時間單位發送的信號。如果 GPS 單元中的時間關閉，精度會受到干擾。當遇到惡劣的大氣條件時，時間和計算都會受到影響。當信號從山脈、摩天大樓等處反彈回來時，就會出現不準確的情況。

另一個問題與其每十二分鐘更新一次的位置有關。一旦信號到達更新時間，衛星就無法知道正確的位置，只能根據錯誤的信息進行計算。這種錯誤是不可避免的。