GPS的工作原理，簡單地說來，是利用我們熟知的幾何與物理上一些基本原理。首先我們假定衛(wèi)星的位置為已知，而我們又能準(zhǔn)確測定我們所在地點A至衛(wèi)星之間的距離，那么A點一定是位于以衛(wèi)星為中心、所測得距離為半徑的圓球上。進一步，我們又測得點A至另一衛(wèi)星的距離，則A點一定處在前后兩個圓球相交的圓環(huán)上。我們還可測得與第三個衛(wèi)星的距離，就可以確定A點只能是在三個圓球相交的兩個點上。根據(jù)一些地理知識，可以很容易排除其中一個不合理的位置。當(dāng)然也可以再測量A點至另一個衛(wèi)星的距離，也能精確進行定位。 以上所說，要實現(xiàn)精確定位，要解決兩個問題：
其一是要確知衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置； 其二是要準(zhǔn)確測定衛(wèi)星至地球上我們所在地點的距離。下面我們看看怎樣來做到這點。
怎樣確知衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置
要確知衛(wèi)星所處的準(zhǔn)確地理位置。首先，要通過深思熟慮，優(yōu)化設(shè)計衛(wèi)星運行軌道，而且，要由監(jiān)測站通過各種手段，連續(xù)不斷監(jiān)測衛(wèi)星的運行狀態(tài)，適時發(fā)送控制指令，使衛(wèi)星保持在正確的運行軌道。將正確的運行軌跡編成星歷，注入衛(wèi)星，且經(jīng)由衛(wèi)星發(fā)送給GPS接收機。正確接收每個衛(wèi)星的星歷，就可確知衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置。
這個問題解決了，接下來就要解決準(zhǔn)確測定地球上某用戶至衛(wèi)星的距離。衛(wèi)星是遠(yuǎn)在地球上層空間，又是處在運動之中，我們不可能象在地上量東西那樣用尺子來量，那么又是如何來做的呢？
如何測定衛(wèi)星至用戶的距離
我們過去都學(xué)過這樣的公式：時間X速度=距離。我們也從物理學(xué)中知道，電波傳播的速度是每秒鐘三十萬公里，所以我們只要知道衛(wèi)星信號傳到我們這里的時間，就能利用速度乘時間等于距離這個公式，來求得距離。所以，問題就歸結(jié)為測定信號傳播的時間。
要準(zhǔn)確測定信號傳播時間，要解決兩方面的問題。一個是時間基準(zhǔn)問題。就是說要有一個精確的時鐘。就好比我們?nèi)粘Ａ恳粡堊雷拥拈L度，要用一把尺子。假如尺子本身就不標(biāo)準(zhǔn)，那量出來的長度就不準(zhǔn)。另一個就是要解決測量的方法問題。
時間基準(zhǔn)問題
GPS系統(tǒng)在每顆衛(wèi)星上裝置有十分精密的原子鐘，并由監(jiān)測站經(jīng)常進行校準(zhǔn)。衛(wèi)星發(fā)送導(dǎo)航信息，同時也發(fā)送精確時間信息。GPS接收機接收此信息，使與自身的時鐘同步，就可獲得準(zhǔn)確的時間。所以，GPS接收機除了能準(zhǔn)確定位之外，還可產(chǎn)生精確的時間信息。
測定衛(wèi)星信號傳輸時間的方法
為了避免采用過多的技術(shù)術(shù)語，我們先作一個不太恰當(dāng)?shù)谋扔�。我們在所處的地點和衛(wèi)星上同時啟動錄音機來播放東方紅樂曲，那么，我們應(yīng)該能聽到一先一后兩支東方紅的曲子（實際上，衛(wèi)星上播放的曲子，我們不可能聽見，只是假想能夠聽到），但一定是不合拍的。為了使兩者合拍，我們延遲啟動地上錄音機的時間。當(dāng)我們聽到兩支曲子合拍時，啟動錄音機所延遲的時間就等于曲子從衛(wèi)星傳送到地上的時間。當(dāng)然，電波比聲波速度高得多，電波也不能用耳朵來接收。所以，實際上我們播送的不是東方紅樂曲，而是一段叫做偽隨機碼的二進制電碼。延遲GPS接收機產(chǎn)生的偽隨機碼，使與接收到衛(wèi)星傳來的碼字同步，測得的延遲時間就是衛(wèi)星信號傳到GPS接收機的時間。至此，我們也就解決了測定衛(wèi)星至用戶的距離。當(dāng)然，上面說的都還是十分理想的情況。實際情況比上面說的要復(fù)雜得多，所以我們還要采取一些對策。例如：電波傳播的速度，并不總是一個常數(shù)。在通過電離層中電離子和對流層中水氣的時候，會產(chǎn)生一定的延遲。一般我們這可以根據(jù)監(jiān)測站收集的氣象數(shù)據(jù)，再利用典型的電離層和對流層模型來進行修正。還有，在電波傳送到接收機天線之前，還會產(chǎn)生由于各種障礙物與地面折射和反射產(chǎn)生的多徑效應(yīng)。這在設(shè)計GPS接收機時，要采取相應(yīng)措施。當(dāng)然，這要以提高GPS接收機的成本為代價。 原子鐘雖然十分精確，但也不是一點誤差也沒有。GPS接收機中的時鐘，不可能象在衛(wèi)星上那樣，設(shè)置昂貴的原子鐘，所以就利用測定第四顆衛(wèi)星，來校準(zhǔn)GPS接收機的時鐘。我們前面提到，每測量三顆衛(wèi)星可以定位一個點。利用第四顆衛(wèi)星和前面三顆衛(wèi)星的組合，可以測得另一些點。理想情況下，所有測得的點，都應(yīng)該重合。但實際上，并不完全重合。利用這一點，反過來可以校準(zhǔn)GPS接收機的時鐘。測定距離時選用衛(wèi)星的相互幾何位置，對測定的誤差也不同。為了精確的定位，可以多測一些衛(wèi)星，選取幾何位置相距較遠(yuǎn)的衛(wèi)星組合，測得誤差要小。在我們提到測量誤差時，還有一點要提到，就是美國的SA政策。美國政府在GPS設(shè)計中，計劃提供兩種服務(wù)。一種為標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS），利用粗碼（C/A）定位，精度約為100m，提供給民用。另一種為精密定位服務(wù)（PPS），利用精碼（P碼）定位，精度達(dá)到10m，提供給軍方和特許民間用戶使用。由于多次試驗表明，SPS的定位精度已高于原設(shè)計，美國政府出于對自身安全的考慮，對民用碼進行了一種稱為選擇可用性SA(selective Availability)的干擾，以確保其軍用系統(tǒng)具有最佳的有效性。由于SA通過衛(wèi)星在導(dǎo)航電文中隨機加入了誤差信息，使得民用信號C/A碼的定位精度降至二維均方根誤差在100米左右。
采用差分GPS技術(shù)(DGPS)，可消除以上所提到大部分誤差，以及由于SA所造成的干擾，從而提高衛(wèi)星導(dǎo)航定位的總體精度，使系統(tǒng)誤差達(dá)到10到15米之內(nèi)。 GPS技術(shù)的錯差
在GPS定位過程中，存在三部分誤差。一部分是對每一個用戶接收機所共有的，例如：衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對流層誤差等；第二部分為不能由用戶測量或由校正模型來計算的傳播延遲誤差；第三部分為各用戶接收機所固有的誤差，例如內(nèi)部噪聲、通道延遲、多徑效應(yīng)等。利用差分技術(shù)第一部分誤差可完全消除，第二部分誤差大部分可以消除，這和基準(zhǔn)接收機至用戶接收機的距離有關(guān)。第三部分誤差則無法消除，只能靠提高GPS接收機本身的技術(shù)指標(biāo)。對美國SA政策帶來的誤差，實質(zhì)上它是人為地增大前兩部分誤差，所以差分技術(shù)也相應(yīng)克服SA政策帶來的影響。
差分GPS技術(shù)消除公共誤差原理
假如在距離用戶500公里之內(nèi)，設(shè)置一部基準(zhǔn)接收機。它和用戶接收機同時接收某一衛(wèi)星的信號，那么我們可以認(rèn)為信號傳至兩部接收機所途經(jīng)電離層和對流層的情況基本是相同，故所產(chǎn)生的延遲也相同。由于接收同一顆衛(wèi)星，故星歷誤差、衛(wèi)星時鐘誤差也相同。若我們通過其它方法確知所處的三維座標(biāo)（也可以用精度很高的GPS接收機來實現(xiàn)，其價格比一般GPS接收機高得多），那就可從測得偽距中，推算其中的誤差。將此誤差數(shù)據(jù)傳送給用戶，用戶就可從測量所得的偽距中扣除誤差，就能達(dá)到更精確的定位。
GPS數(shù)據(jù)處理軟件是GPS用戶系統(tǒng)的重要部分，其主要功能是對GPS接收機獲取的衛(wèi)星測量記錄數(shù)據(jù)進行粗加工、預(yù)處理，并對處理結(jié)果進行平差計算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及分析綜合處理。解得測站的三維坐標(biāo)，測體的坐標(biāo)、運動速度、方向及精確時刻。
GPS定位技術(shù)是正在發(fā)展中的高新技術(shù)，數(shù)據(jù)處理技術(shù)也處在不斷更新之中，各系列GPS接收機制造廠家研制的處理軟件也各具特色。 全球定位系統(tǒng)GPS是近年來開發(fā)的最具有開創(chuàng)意義的高新技術(shù)之一，其全球性、全能性、全天候性的導(dǎo)航定位、定時、測速優(yōu)勢必然會在諸多領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用。在發(fā)達(dá)國家，GPS技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于交通運輸和道路工程之中。目前，GPS技術(shù)在我國道路工程和交通管理中的應(yīng)用還剛剛起步，相信隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，高等級公路的快速修建和GPS技術(shù)應(yīng)用研究的逐步深入，其在道路工程中的應(yīng)用也會更加廣泛和深入，并發(fā)揮更大的作用。 GPS導(dǎo)航系統(tǒng)與電子地圖、無線電通信網(wǎng)絡(luò)及計算機車輛管理信息系統(tǒng)相結(jié)合，可以實現(xiàn)車輛跟蹤和交通管理等許多功能，這些功能包括：
車輛跟蹤 利用GPS和電子地圖可以實時顯示出車輛的實際位置，并任意放大、縮小、還原、換圖；可以隨目標(biāo)移動，使目標(biāo)始終保持在屏幕上；還可實現(xiàn)多窗口、多車輛、多屏幕同時跟蹤。利用該功能可對重要車輛和貨物進行跟蹤運輸。
提供出行路線規(guī)劃和導(dǎo)航 提供出行路線規(guī)劃是汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的一項重要輔助功能，它包括自動線路規(guī)劃和人工線路設(shè)計。自動線路規(guī)劃是由駕駛者確定起點和目的地，由計算機軟件按要求自動設(shè)計最佳行駛路線，包括最快的路線、最簡單的路線、通過高速公路路段次數(shù)最少的路線等的計算。人工線路設(shè)計是由駕駛者根據(jù)自己的目的地設(shè)計起點、終點和途經(jīng)點等，自動建立線路庫。線路規(guī)劃完畢后，顯示器能夠在電子地圖上顯示設(shè)計線路，并同時顯示汽車運行路徑和運行方法。
信息查詢 為用戶提供主要物標(biāo)，如旅游景點、賓館、醫(yī)院等數(shù)據(jù)庫，用戶能夠在電子地圖上根據(jù)需要進行查詢。查詢資料可以文字、語言及圖象的形式顯示，并在電子地圖上顯示其位置。同時，監(jiān)測中心可以利用監(jiān)測控制臺對區(qū)域內(nèi)的任意目標(biāo)所在位置進行查詢，車輛信息將以數(shù)字形式在控制中心的電子地圖上顯示出來。 話務(wù)指揮 指揮中心可以監(jiān)測區(qū)域內(nèi)車輛運行狀況，對被監(jiān)控車輛進行合理調(diào)度。指揮中心也可隨時與被跟蹤目標(biāo)通話，實行管理。
緊急援助 通過GPS定位和監(jiān)控管理系統(tǒng)可以對遇有險情或發(fā)生事故的車輛進行緊急援助。監(jiān)控臺的電子地圖顯示求助信息和報警目標(biāo)，規(guī)劃最優(yōu)援助方案，并以報警聲光提醒值班人員進行應(yīng)急處理。
GPS技術(shù)在汽車導(dǎo)航和交通管理工程中的研究與應(yīng)用目前在中國剛剛起步，而國外在這方面的研究早已開始并已取得了一定的成果。加拿大卡爾加里大學(xué)設(shè)計了一種動態(tài)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一臺捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)，兩臺GPS接收機和一臺微機，可測定已有道路的線形參數(shù)，為道路管理系統(tǒng)服務(wù)。美國研制了應(yīng)用于城市的道路交通管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用GPS和GIS建立道路數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中包含有各種現(xiàn)時的數(shù)據(jù)資料，如道路的準(zhǔn)確位置、路面狀況、沿路設(shè)施等，該系統(tǒng)于1995年正式運行，為城市道路交通管理起到重要作用。近些年來國外研制了各種用于車輛誘導(dǎo)的系統(tǒng)，其中車輛位置的實時確定以往主要依據(jù)慣性測量系統(tǒng)以及車輪傳感器，隨著GPS的發(fā)展和所顯示出的優(yōu)越性，有取代前兩種方法的趨勢。用于城市車輛誘導(dǎo)的GPS定位一般是在城市中設(shè)立一個基準(zhǔn)站，車載GPS實時接收 基準(zhǔn)站發(fā)射的信息，經(jīng)過差分處理便可計算出實時位置，把目前所處位置與所要到達(dá)的目標(biāo)在道路網(wǎng)中進行優(yōu)化計算，便可在道路電子地圖上顯示出到達(dá)目標(biāo)的最優(yōu)化路線，為公安、消防、搶修、急救等車輛服務(wù)。
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