全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）是美國(guó)從本世紀(jì)70年代開始研制，歷時(shí)20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空全方位進(jìn)行實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。因其在1991年的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮了不可估量的作用，引起世界各國(guó)的重視。我國(guó)測(cè)繪等部門經(jīng)過多年的使用表明，GPS具帶天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等顯著特點(diǎn)，它的使用給測(cè)繪領(lǐng)域帶來了一場(chǎng)深刻的技術(shù)革命。

GPS系統(tǒng)包括三大部分：GPS衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)和用戶設(shè)備GPS信號(hào)接收機(jī)。其中，GPS衛(wèi)星星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成，記作（21+3）GPS星座。這24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，在兩萬公里的高空，每12恒星時(shí)繞地球一周。位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時(shí)間和地點(diǎn)的不同而不同，最少可見到4顆，最多可見到11顆。

對(duì)于導(dǎo)航定位來說，GPS衛(wèi)星是一個(gè)動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)。星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷—描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)及其軌道的參數(shù)算得的。由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供每顆GPS衛(wèi)星的星歷，并保持各顆衛(wèi)星處于同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)—GPS時(shí)間，再用衛(wèi)星導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。GPS信號(hào)接收機(jī)的任務(wù)是：捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對(duì)接收到的GPS時(shí)間信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)量出從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間。靜態(tài)定位中，GPS接收機(jī)在捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中位置固定不變，由于能高精度地測(cè)量GPS信號(hào)的傳播時(shí)間，從而可計(jì)算出衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，再利用GPS衛(wèi)星在軌的已知位置，即可解算出接收機(jī)所在位置的三維坐標(biāo)。如圖4.16所示，測(cè)得接收點(diǎn)到衛(wèi)星的距離，就可確定該接收點(diǎn)一定在以衛(wèi)星為球心、所得距離為半徑作球面交于地球球面而得的圓周上。通過第二個(gè)衛(wèi)星得到另一個(gè)圓周，那么該接收點(diǎn)即在兩個(gè)圓周的交線上。動(dòng)態(tài)用GPs動(dòng)物體的運(yùn)行

從GPs的基本原理可知，GPS的定位精度主要決定于GPS時(shí)間信號(hào)的精度。根據(jù)廣義相對(duì)論，引力大的地方時(shí)鐘走得慢，地球表面處的引力大于距地面兩萬多公里的衛(wèi)星處的引力，因此地面上的時(shí)鐘比衛(wèi)星上的時(shí)鐘走得慢，兩者相差

（當(dāng)然還存在相對(duì)論的運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)，即運(yùn)動(dòng)速度大的時(shí)鐘走得慢，但此處該效應(yīng)只有10-1量級(jí)，因此引力效應(yīng)是主要的）由于衛(wèi)星與地面接收機(jī)相距兩萬多公里，所以即使有微小的誤差，也會(huì)引起對(duì)應(yīng)的地面距離有較大的誤差。如圖4.17所示，設(shè)衛(wèi)星到接收機(jī)的實(shí)際距離為l0=cr，對(duì)應(yīng)于地面上的A點(diǎn)，由于引力效應(yīng)，衛(wèi)星處的鐘比地面上的鐘走得快些，因此地面上的鐘與衛(wèi)星發(fā)射GPS時(shí)間信號(hào)時(shí)的時(shí)間差會(huì)減

小，接收機(jī)會(huì)誤以為自己處于A'點(diǎn)，且有OA'=l0-c△t，由此引起的地面定位誤差為AA'=、l6-（10-c△t）2≈lo、2c△t/l0≈0.5×10-4l0≈1（公里）。

也就是說，10-9量級(jí)的廣義相對(duì)論效應(yīng)會(huì)引起全球定位系統(tǒng)約1公里的定位誤差，相距1公里的兩點(diǎn)對(duì)于沒有經(jīng)過廣義相對(duì)論效應(yīng)修正的GPS是不能區(qū)分的。經(jīng)過廣義相對(duì)論效應(yīng)修正后的GPS精度可在1米以內(nèi)。