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第一节 GPS的产生背景和历史演变
那么GPS全球定位系统究竟是什么东西呢？它是一套美国军方设计的，以航天技术为基础的导航与定位系统。这套系统可以使美军士兵独立测定精度为10米以下的自己的位置。这个“独立测定”非常重要：在实际使用中，如果这套系统需要士兵发射电波确定自己位置的话，会很容易地被敌方侦测到自己的实际位置，所以整个地面接收系统需要完全被动接收信号。
现在我们国家的北斗卫星导航系统还不能做到这一点：北斗卫星的用户需要通过无线电发射位置请求信息到卫星，并从卫星接收自己的位置信息。
由于美国全球战略的需要，这套系统需要覆盖全世界，并且的用户接收端的成本要非常低，因为系统的设计要求是每个士兵、每台军车都要安装接收系统。
一、频率与定位精度
GPS并不是世界上第一个无线电导航系统，早在第二次世界大战以前，就已经出现了无线电导航系统。
最早人们采用的是长波信号，波长长达26公里，因为长波信号可以轻易地被电离层反射，所以美国的OMEGA系统用了八个发射器就把信号覆盖了全球。不过因为信号波长比较长，定位精度受到很大影响：OMEGA系统的精度只有六公里。
为提高定位精度，只有提高无线电信号频率，但是借助电离层反射的全球覆盖就受到了影响：波长越短的信号，直线传输特性越强，同时不能被电离层反射：通过把波长减小到2.6公里，LORAN系统倒是把定位精度提高到450米了，可全球只有10%的面积被信号覆盖。
自从1957年有了卫星，科学家的兴趣自然就转到这上面来了：卫星可以发射短波长信号，穿透电离层覆盖半个地球的面积。
从20世纪60年代开始，美军就不断地试验并改进以卫星为基础的无线电导航系统，从最早的TRANSIT，到NAVSTAR, 一步一步地把GPS系统进行完善并降低接收系统成本。随着接收系统的成本不断降低，很多有商业头脑的人预见到了GPS系统的民用市场的广大，把GPS扩展到民用的呼吁在美国国内越来越高。
不过最终促成此事的是一桩悲剧：1983年，韩国的KAL-007航班因为迷航误入前苏联领空，被前苏联战斗机击落，机上乘客和机组人员无一生还。那会儿GPS还没有投入民用，民用航班的导航主要靠无线电信标，万一地面信标站或机上系统有故障，那麻烦就大了。于是美国前总统里根于1984年正式宣布：开放GPS信号的民间使用，无偿提供服务。
从1989年2月开始，真正用于实用的BLOCK II 卫星开始发射升空。到1993年12月，美国国防部宣布GPS系统初步完成，由24颗BLOCK I 和 BLOCK II 卫星组成。1995年7月，美国国防部宣布GPS系统完全完成，由24颗BLOCK II卫星组成。
二、GPS系统组成
整个GPS系统由三部分组成：控制部分，空间部分，用户端
空间部分和控制部分由美国军方维护，主要是保证卫星正常工作及其发送的信号准确无误。
用户端就是大家平常用的GPS接收机，虽然形式多种多样，但基本操作都是接收卫星信号并计算接收机所在位置。
在空间部分，美军布置了24颗BLOCK II卫星，由ROCKWELL公司制造，星重700-900公斤，包含太阳能极板为5米宽，设计使用寿命为7.5年。卫星轨道距地面20200公里，轨道面与地球赤道面夹角为55度，轨道面与赤道面交线之间在赤道面上的夹角为60度，每个轨道面布置4颗卫星，所以总卫星数是6个轨道面乘以4为24颗。其中21颗正式使用，3颗备用。每颗卫星每12个小时绕地球一周。这样算下来，在任何时刻、地球的任意地方，基本都能“看到”12颗左右的卫星。
三、GPS定位原理
GPS接收机的定位实际是就是通过计算接收机距不同卫星的距离来完成的：
如果接收机知道它离第一颗卫星的距离，接收机在宇宙中可能的位置就是一个球；如果接收机同时知道它离第二颗卫星的距离，接收机可能的位置就是两个球的交线；如果接收机同时知道它离第三颗卫星的距离，那么接收机的可能位置就是三个球的两个交点。那这两个交点到底哪个是真正的位置点呢，其实非常好判断：一个点在距离地表10公里之内，一个点在距离地表几千公里以外，你说哪个是？
那么大家都知道，GPS需要至少四颗卫星来定位，那这第四颗卫星是怎么回事呢？
四、第四颗卫星的用处
无线电波以每秒30万公里传输，从卫星发射信号到接收机收到信号，只需要大概0.06秒。如果接收机的时间精度是百万分之一秒，那末折算出来的距离误差就是300000000/100000000=300米。
在卫星上的钟是四个原子钟，精确地同步到精度为几十亿分之一秒。可接收机的时钟是普通石英钟，精度远达不到百万分之一秒，如果也用原子钟的话，重量咱们先不说，每个原子钟造价是二十万美金，那还有谁用的起呀？
所以，第四颗卫星的信号实际上是提供时间基准，给GPS接收机用来计算接收机距离其他三颗卫星的距离：有了时间基准，接收机就可以测量从其他三颗卫星到达接收机的时间，然后把时间转换成距离。
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