最古老、最簡單的導(dǎo)航方法是星歷導(dǎo)航，人類通過觀察星座的位置變化來確定自己的方位；最早的導(dǎo)航儀是中國人發(fā)明的指南針，幾個世紀(jì)以來它經(jīng)過不斷的改進(jìn)而變得越來越精密，并一直為人類廣泛應(yīng)用著；最早的航海表是英國人John Harrison經(jīng)過47年的艱苦工作于1761年發(fā)明的，在其隨后的兩個世紀(jì)，人類通過綜合地利用星歷知識、指南針和航海表來進(jìn)行導(dǎo)航和定位。

進(jìn)入二十世紀(jì)以后，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高人類逐漸發(fā)明/發(fā)現(xiàn)了許多新的定位方法。開始海員們通過測量船體的速度增量并進(jìn)行外推來確定自己的位置（Dead reckoning）；隨后人們又發(fā)明了慣性導(dǎo)航技術(shù)（Inertial Navigation），即通過對加速度計所記錄的載體加速度進(jìn)行積分來確定位置。至此，人類的探索并沒有停滯不前，二十世紀(jì)電磁場理論和電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展為新型導(dǎo)航技術(shù)的形成提供了堅實的理論基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。更重要的是用新思想和新理論武裝起來的人類更富于想象力了，人類的思維從被動地利用宇宙中現(xiàn)存的參照物（如星體）擴(kuò)展到主動地建立和利用人為的參照物來開發(fā)更精密的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。由此地基電子導(dǎo)航系統(tǒng)（Ground-based Radionavigation System）誕生了，這一系統(tǒng)的問世標(biāo)志著人類從此進(jìn)入了電子導(dǎo)航時代。地基電子導(dǎo)航系統(tǒng)主要由在世界各地適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)建立的無線電參考站組成，接收機(jī)通過接收這些參考站發(fā)射的無線電電波并由此計算接收機(jī)到發(fā)射站的距離來確定自己的位置。這一技術(shù)在二戰(zhàn)中已經(jīng)被使用，戰(zhàn)后發(fā)展很快，目前大約有100種不同類型的地基電子導(dǎo)航系統(tǒng)正在運(yùn)行，其中最著名的有Loran C/D、Omega、VOR/DME Tacan等，它們的導(dǎo)航原理相似，只是所用的電波波段和適用地域不同而已。由于地基導(dǎo)航系統(tǒng)的無線電發(fā)射參考站都建立在地球表面上，因此它們只能用來確定海平面上和地平面上運(yùn)動物體的水平位置，即只能進(jìn)行二維定位，這是地基電子導(dǎo)航系統(tǒng)本身固有的缺陷。為了對空間飛行器（如飛機(jī)、宇宙飛船、導(dǎo)彈等）進(jìn)行精密導(dǎo)航，需要確定飛行器的三維位置（水平位置和高度）。顯然地基電子導(dǎo)航系統(tǒng)不能滿足這種需要，于是人類就設(shè)想是否可以將無線電發(fā)射參考站建立在空中。

1957年10月，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星的成功發(fā)射宣告空間科學(xué)的發(fā)展跨入了一個嶄新的時代，也使電子導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了一個新的階段。它使人類將無線電發(fā)射參考站建立在空中的設(shè)想成為現(xiàn)實，由此空基電子導(dǎo)航系統(tǒng)（Space-based Radionavigation System）應(yīng)運(yùn)而生?？栈娮訉?dǎo)航系統(tǒng)統(tǒng)稱為衛(wèi)星電子導(dǎo)航系統(tǒng)，第一代衛(wèi)星電子導(dǎo)航系統(tǒng)的代表是美國海軍武器實驗室委托霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室研制的海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（Navy Navigation Satellite System —— NNSS）。在該系統(tǒng)中衛(wèi)星的軌道都通過地極，故也稱"子午儀（Transit）衛(wèi)星系統(tǒng)"。1964年該系統(tǒng)建成后即被美國軍方使用，1967年將星歷解密而提供民用服務(wù)。實踐表明，子午儀衛(wèi)星系統(tǒng)具有精度均勻、不受時間和天氣限制等優(yōu)點(diǎn)，只要系統(tǒng)的衛(wèi)星在視界內(nèi)，就可在地球表面任何地方進(jìn)行單點(diǎn)定位或聯(lián)測定位，從而獲得觀測點(diǎn)的三維地心坐標(biāo)。盡管子午儀衛(wèi)星系統(tǒng)具有以往導(dǎo)航系統(tǒng)所無法比擬的優(yōu)越性，但也存在一些嚴(yán)重的缺陷，這主要是由于該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目較少（5～6顆），運(yùn)行高度較低（平均約為1000Km），從地面觀測到衛(wèi)星的時間間隔較長（平均1.5小時），因而無法連續(xù)地提供實時三維定位信息，難以充分滿足軍事用戶和某些民事用戶的定位要求。

為了克服子午儀系統(tǒng)的缺陷，實現(xiàn)全天候、全球性和高精度的連續(xù)導(dǎo)航與定位，1973年美國國防部批準(zhǔn)其陸?？杖娐?lián)合研制第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)-授時與測距導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)（Navigation System Timing and Ranging/Global Position System-NAVSTAR/GPS），簡稱全球定位系統(tǒng)（GPS）。起初的GPS方案由24顆衛(wèi)星組成，這些衛(wèi)星分布在互成120°的三個軌道平面上，每個軌道平面分布8顆衛(wèi)星，這樣的衛(wèi)星布局可保證在地球上的任何位置都能同時觀測到6～9顆衛(wèi)星。為識別不同的衛(wèi)星信號并提高系統(tǒng)的抗干擾能力和保密能力，采用了直接序列擴(kuò)頻技術(shù)（DS-SS），整個系統(tǒng)相當(dāng)于一個碼分多址系統(tǒng)（CDMA）。為了補(bǔ)償電離層效應(yīng)的影響，采用了雙頻調(diào)制；1978年由于美國政府壓縮國防預(yù)算，減少了對GPS的撥款，GPS聯(lián)合辦公室就將初始方案修改為第二方案。在第二方案中系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)由24顆減少到18顆，并調(diào)整了衛(wèi)星的布局，18顆衛(wèi)星分布在互成60°的6個軌道平面上，每個軌道平面分布3顆衛(wèi)星，這樣的配置基本能夠保證在地球上任何位置均能同時觀測到至少4顆衛(wèi)星。但實驗發(fā)現(xiàn)這樣的衛(wèi)星配置可靠性不高，另外由于在海灣戰(zhàn)爭中GPS發(fā)揮了巨大的作用，因此在1990年對第二方案進(jìn)行了修改，最終方案是由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成整個系統(tǒng)，6個軌道平面的每個平面上分布4顆衛(wèi)星，這樣的配置使同時出現(xiàn)在地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目隨時間和地點(diǎn)而異，最少為4顆，最多可達(dá)11顆。

GPS計劃的實施分為三個階段：第一階段為方案論證和初步設(shè)計階段（1973年～1978年），發(fā)射了4顆衛(wèi)星，建立了地面跟蹤網(wǎng)并研制了地面接收機(jī)；第二階段為全面研制和實驗階段（1979年～1984年），發(fā)射了7顆Block I實驗衛(wèi)星，研制了各種用途的接收機(jī)，包括導(dǎo)航型和測地型接收機(jī)；第三階段為實用組網(wǎng)階段（1985年～1993年），發(fā)射了Block II和Block IIA工作衛(wèi)星（Block IIA衛(wèi)星增強(qiáng)了軍事應(yīng)用功能并擴(kuò)大了數(shù)據(jù)存儲容量）。截止到1993年，由分布在6個軌道平面內(nèi)的（21＋3）顆衛(wèi)星組成的GPS空間星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計劃更換失效的衛(wèi)星。從1973年到1993年，GPS系統(tǒng)的建立經(jīng)歷了近20年，耗資300億美元，它是繼阿波羅登月計劃和航天飛機(jī)計劃后的第三項龐大空間計劃 。

GPS系統(tǒng)組成

GPS系統(tǒng)主要有三大組成部分，即空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分。GPS的空間星座部分中24顆衛(wèi)星基本均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，軌道平面相對赤道平面的傾角為55°，各軌道平面之間的交角為60°，每個軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星相差90°，任一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30°。衛(wèi)星軌道平均高度為20200km，衛(wèi)星運(yùn)行周期為11小時58分。每顆衛(wèi)星每天約有5個小時在地平線以上，同時位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目隨時間和地點(diǎn)而不同，可為4~11顆；GPS的地面監(jiān)控部分目前主要由分布在全球的5個地面站組成，其中包括衛(wèi)星檢測站、主控站和信息注入站。GPS的空間部分和地面監(jiān)控部分是用戶廣泛應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航和定位的基礎(chǔ)，均為美國所控制；GPS的用戶設(shè)備主要由接收機(jī)硬件和處理軟件組成。用戶通過用戶設(shè)備接收GPS衛(wèi)星信號，經(jīng)信號處理而獲得用戶位置、速度等信息，最終實現(xiàn)利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航和定位的目的。

GPS系統(tǒng)定位原理

GPS系統(tǒng)采用高軌測距體制，以觀測站至GPS衛(wèi)星之間的距離作為基本觀測量。為了獲得距離觀測量，主要采用兩種方法：一是測量GPS衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達(dá)用戶接收機(jī)的傳播時間，即偽距測量；一是測量具有載波多普勒頻移的GPS衛(wèi)星載波信號與接收機(jī)產(chǎn)生的參考載波信號之間的相位差，即載波相位測量。采用偽距觀測量定位速度最快，而采用載波相位觀測量定位精度最高。通過對4顆或4顆以上的衛(wèi)星同時進(jìn)行偽距或相位的測量即可推算出接收機(jī)的三維位置。

GPS系統(tǒng)特點(diǎn)

GPS的問世標(biāo)志著電子導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展到了一個更加輝煌的時代。GPS系統(tǒng)與其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比，主要特點(diǎn)是：①全球地面連續(xù)覆蓋。由于GPS衛(wèi)星數(shù)目較多且分布合理，所以在地球上任何地點(diǎn)均可連續(xù)同步地觀測到至少4顆衛(wèi)星，從而保障了全球、全天候連續(xù)實時導(dǎo)航與定位的需要。②功能多、精度高。GPS可為各類用戶連續(xù)地提供高精度的三維位置、三維速度和時間信息。③實時定位速度快。目前GPS接收機(jī)的一次定位和測速工作在一秒甚至更少的時間內(nèi)便可完成，這對高動態(tài)用戶來講尤其重要。④抗干擾性能好、保密性強(qiáng)。由于GPS系統(tǒng)采用了偽碼擴(kuò)頻技術(shù)，因而GPS衛(wèi)星所發(fā)送的信號具有良好的抗干擾性和保密性。

GPS系統(tǒng)作用

GPS系統(tǒng)的建立給導(dǎo)航和定位技術(shù)帶來了巨大的變化，它從根本上解決了人類在地球上的導(dǎo)航和定位問題，可以滿足不同用戶的需要。

1、對艦船而言，它能在海上協(xié)同作戰(zhàn)，海洋交通管制，海洋測量，石油勘探，海洋捕魚，浮標(biāo)建立，管道鋪設(shè)，淺灘測量，暗礁定位，海港領(lǐng)航等方面作出貢獻(xiàn)。

2、對飛機(jī)而言，它可以在飛機(jī)進(jìn)場、著陸，中途導(dǎo)航，飛機(jī)會合和空中加油，武器準(zhǔn)確投擲及空中交通管制等方面進(jìn)行服務(wù)。

3、在陸地上，可用于各種車輛、坦克、陸軍部隊、炮兵、空降兵和步兵等的定位，還可用于大地測量、攝影測量、野外調(diào)查和勘探的定位，甚至可以深入到每個人的生活中去，如用于汽車、旅行、探險、狩獵等方面。

4、在空間技術(shù)方面，可以用于彈道導(dǎo)彈的引航和定位，空間飛行器的導(dǎo)航和定位等。

總之，GPS技術(shù)已發(fā)展成多領(lǐng)域（陸地、海洋、航空航天）、多模式（GPS、DGPS、LADGPS、WADGPS、）、多用途（在途導(dǎo)航、精密定位、精確定時、衛(wèi)星定軌、災(zāi)害監(jiān)測、資源調(diào)查、工程建設(shè)、市政規(guī)劃、海洋開發(fā)、交通管制等）、多機(jī)型（測地型、定時型、手持型、集成型、車載式、船載式、機(jī)載式、星載式、彈載式等）的高新技術(shù)國際性產(chǎn)業(yè)。GPS的應(yīng)用領(lǐng)域，上至航空航天器，下至捕魚、導(dǎo)游和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，已經(jīng)無所不在了，正如人們所說的"GPS的應(yīng)用，僅受人類想象力的制約"。

GPS政策及系統(tǒng)發(fā)展趨勢

雖然GPS系統(tǒng)具有以往導(dǎo)航定位系統(tǒng)不可比擬的許多優(yōu)點(diǎn)，但其所有權(quán)、控制權(quán)和運(yùn)營權(quán)均屬于美國國防部。為了限制不同用戶對GPS的應(yīng)用，GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號含有兩種不同的測距碼，即所謂的P碼和C/A碼，因此GPS提供兩種定位服務(wù)，即精密定位服務(wù)（PPS）和標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）。PPS的主要對象是美國和盟軍的軍事部門及其他特許部門，利用P碼定位，估計其單點(diǎn)實時定位精度約為10m；SPS的主要對象是廣大的民間用戶，只能采用調(diào)制在一種載波頻率上的C/A碼定位，且無法利用雙頻技術(shù)來消除電離層折射的影響，估計其單點(diǎn)定位精度約為400m。但在GPS研制初始階段的多次試驗表明，實際定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于預(yù)測值，利用C/A碼的定位精度可達(dá)14m，利用P碼的定位精度可達(dá)3m。這個出人意料的情況促使美國軍方認(rèn)真評估民間用戶及其他非特許軍事用戶使用C/A碼定位給美國帶來的可能影響。于是在1983年5月根據(jù)里根總統(tǒng)的命令將GPS從單純軍用轉(zhuǎn)為軍民共用后又在1984年確立了保護(hù)美國國家安全的兩大政策，即防止敵對勢力對P碼信號進(jìn)行干擾的AS（Anti-Spoofing）政策和降低C/A碼定位精度的SA（Selective Availability）政策。在考慮限制C/A碼定位精度的SA政策初期，曾經(jīng)確定采用C/A碼的定位精度為500m，后來考慮到民事用戶的實際需要，最后確定其定位精度為100m，并從1991年7月1日開始對所有的在軌衛(wèi)星全部實施SA技術(shù)。

采用SA技術(shù)后使C/A碼的實時定位精度大大降低，嚴(yán)重地影響了GPS系統(tǒng)定位服務(wù)的國際可接受性，許多潛在的民間用戶迫切要求改善定位精度。在此背景下，差分GPS（DGPS）定位、載波相位等技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并飛速發(fā)展。與此同時，GPS平行系統(tǒng)的出現(xiàn)，如前蘇聯(lián)的GLONASS系統(tǒng)，使美國政府感到了壓力，為了加強(qiáng)GPS的世界領(lǐng)導(dǎo)地位，美國政府醞釀了GPS現(xiàn)代化計劃，基本方針是在強(qiáng)化軍用PPS服務(wù)的同時改善民間SPS服務(wù)，努力擴(kuò)大民用市場。SPS服務(wù)的改善主要有三個途徑：①發(fā)展利用差分定位原理的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）和本地增強(qiáng)系統(tǒng)（LAAS）；②4～10年內(nèi)取消SA政策，恢復(fù)精度；③增發(fā)第二民用頻率，解決電離層延遲誤差對系統(tǒng)定位精度的影響。綜上所述，美國的GPS政策具有雙重性，既要鼓勵國際應(yīng)用，又不能失去軍事優(yōu)勢。我們可充分利用這一特點(diǎn)，結(jié)合實際合理利用GPS這一國際共享的信息資源為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。

典型GPS應(yīng)用系統(tǒng)介紹

由于GPS的應(yīng)用非常廣泛，下面僅以我們實驗室正在研究的兩個應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

1、基于GPS技術(shù)的車輛監(jiān)控管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)是將GPS技術(shù)、地理信息技術(shù)（GIS）和現(xiàn)代通訊技術(shù)綜合在一起的高科技系統(tǒng)。其主要功能是將任何裝有GPS接收機(jī)的移動目標(biāo)的動態(tài)位置（精度、緯度、高度）、時間、狀態(tài)等信息，實時地通過無線通信網(wǎng)鏈傳至監(jiān)控中心，而后在具有強(qiáng)大地理信息處理、查詢功能的電子地圖上進(jìn)行移動目標(biāo)運(yùn)動軌跡的顯示，并能對目標(biāo)的準(zhǔn)確位置、速度、運(yùn)動方向、車輛狀態(tài)等用戶感興趣的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和查詢，以確保車輛的安全，方便調(diào)度管理，提高運(yùn)營效率。本系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，特別適合對公安、銀行、公交、保安、部隊、機(jī)場等單位對所屬車輛的監(jiān)控和調(diào)度管理，也可應(yīng)用于對船舶、火車等的監(jiān)控。

到目前為止，我們已為交通銀行北京分行、北京公交總公司、南寧工商銀行等多家單位建立了各自的監(jiān)控系統(tǒng)，取得了可觀的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2、基于GPS技術(shù)的智能車輛導(dǎo)航儀

該裝置是安裝在車輛上的一種導(dǎo)航設(shè)備。它以電子地圖為監(jiān)控平臺，通過GPS接收機(jī)實時獲得車輛的位置信息，并在電子地圖上顯示出車輛的運(yùn)動軌跡。當(dāng)接近路口、立交橋、隧道等特殊路段時可進(jìn)行語音提示。作為輔助導(dǎo)航儀，可按照規(guī)定的行進(jìn)路線使司機(jī)無論是在熟悉或不熟悉的地域都可迅速到達(dá)目的地；該裝置還設(shè)有最佳行進(jìn)路線選擇及路線偏離報警等多項輔助功能。