全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）是美國從本世紀70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空全方位進行實時三維導航與定位能力的新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)。因其在1991年的海灣戰(zhàn)爭中發(fā)揮了不可估量的作用，引起世界各國的重視。我國測繪等部門經(jīng)過多年的使用表明，GPS具帶天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，它的使用給測繪領域帶來了一場深刻的技術革命。

GPS系統(tǒng)包括三大部分：GPS衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)和用戶設備GPS信號接收機。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個軌道平面內(nèi)，在兩萬公里的高空，每12恒星時繞地球一周。位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時間和地點的不同而不同，最少可見到4顆，最多可見到11顆。

對于導航定位來說，GPS衛(wèi)星是一個動態(tài)已知點。星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷—描述衛(wèi)星運動及其軌道的參數(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)星處于同一時間標準—GPS時間，再用衛(wèi)星導航電文發(fā)給用戶設備。GPS信號接收機的任務是：捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行，對接收到的GPS時間信號進行變換、放大和處理，以便測量出從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間。靜態(tài)定位中，GPS接收機在捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中位置固定不變，由于能高精度地測量GPS信號的傳播時間，從而可計算出衛(wèi)星到接收機的距離，再利用GPS衛(wèi)星在軌的已知位置，即可解算出接收機所在位置的三維坐標。如圖4.16所示，測得接收點到衛(wèi)星的距離，就可確定該接收點一定在以衛(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。通過第二個衛(wèi)星得到另一個圓周，那么該接收點即在兩個圓周的交線上。動態(tài)用GPs動物體的運行

從GPs的基本原理可知，GPS的定位精度主要決定于GPS時間信號的精度。根據(jù)廣義相對論，引力大的地方時鐘走得慢，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，因此地面上的時鐘比衛(wèi)星上的時鐘走得慢，兩者相差

（當然還存在相對論的運動學效應，即運動速度大的時鐘走得慢，但此處該效應只有10-1量級，因此引力效應是主要的）由于衛(wèi)星與地面接收機相距兩萬多公里，所以即使有微小的誤差，也會引起對應的地面距離有較大的誤差。如圖4.17所示，設衛(wèi)星到接收機的實際距離為l0=cr，對應于地面上的A點，由于引力效應，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時間信號時的時間差會減

小，接收機會誤以為自己處于A'點，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量級的廣義相對論效應會引起全球定位系統(tǒng)約1公里的定位誤差，相距1公里的兩點對于沒有經(jīng)過廣義相對論效應修正的GPS是不能區(qū)分的。經(jīng)過廣義相對論效應修正后的GPS精度可在1米以內(nèi)。