GPS（导航星全球定位系统）的工作

导航卫星是为地面、海上、空中和空间用户提供导航定位参数的应用卫星。导航卫星早期主要用于军事用户导航和定位。1959年12月美国首次发射子午仪导航卫星，而后又发射了两颗试验型子午仪卫星，取得了很大成功。1973年12月，美国国防部又制定了一个“导航星全球定位系统”（GPS）计划，目的是弥补子午仪卫星的不足，建立一个供各军种使用的统一的全球军用导航卫星系统，原计划15年完成。该系统由21颗实用卫星和3颗备用卫星组成，采取中高轨道，均匀分布在6个轨道面内，高度约20000千米，倾角63°。21颗卫星分为Ⅰ型和Ⅱ型，前者重460千克，后者重787千克。1978年7月22日，第1颗导航星发射，1993年10月26日，第21颗导航星发射，标志着该系统初步建成。1994年3月6日，第24颗导航星发射入轨，从而使这项历时20年、耗资上百亿美元的导航星全球定位系统全部建设成功。导航星的定位精度在16米以内，测速精度优于0.1米／秒，计时精度优于120毫微秒（300万年误差1秒）。该系统对民用用户开放的通道定位精度较低，一般在100米左右。

定位常常是军用系统和民用系统需要解决的重要问题。飞船和返回式卫星在回收时，需要弄清落点精确位置。舰只在茫茫大海上航行需要知道自己的位置。发射洲际导弹需要时时跟踪它的位置、方向和速度。坦克部队在大沙漠上行动需要知道自己的方位。士兵在丛林中执行任务时要经常确定自己的位置。为保证运钞车的安全，银行也要通过实时确定它的位置和路线进行安全监视。如果知道丢失的车辆所在的地点，就可能迅速找回。导航星全球定位系统可以满足这些不同用户的复杂定位要求。它可为飞机、舰船、坦克、步兵、导弹、低轨卫星和各种民用用户提供全天候、连续、实时、高精度的位置、时间和速度的精确定位信息。

导航卫星定位的原理是时间测距和多普勒测速。导航星同步发出卫星星历表、时钟校正参数、信号延迟参数、卫星状态参数和识别信息等导航信号，用户接收机在某一时刻可同时接收4颗卫星发出的导航信号，接收机计算机根据卫星发送信号时间和电磁波的传播速度，可以算出用户相对于4颗卫星的距离（称伪距离）。以这4颗卫星为中心，以它们相对用户的距离为半径作4个球面，如果4个球面汇于一点，这个点就是用户的位置。否则就用导航星上的时钟校准接收机时钟，重复计算使球面汇于一点。这样用户的三维位置坐标（径度、纬度和高度）就确定了。通常用户在地球的任何位置至少能同时“看到”6颗以上的导航星，从中选出位置最佳的4颗进行连续的实时三维定位和测速。移动用户则根据接收导航信号频率的变化（多普勒频率）来计算自身运动的速度。获得的位置和速度信号在显示器上显示出来。

导航星全球定位系统是被动式导航定位系统，即用户只须接收卫星发出的信号而无须向卫星发射信号，因而接收装置可以做得非常小巧，一般在几千克左右。美国海湾战争中使用的接收机有的只有0.81千克，尺寸仅22×9×5厘米。

导航星全球定位系统不仅为美国三军提供导航服务，而且也已用于民用和移动通信服务。但两种用户严格分开，军用导航采用精确码；民用定位采用粗捕获码，且精度只有100米左右。美国政府1993年许诺，民用用户可以免费使用该系统10年。由于这个原因，90年代后，许多国家有大量公司在开发不同用途的导航星全球定位系统接收装置，应用领域遍及社会经济各个方面，GPS的开发和应用已形成前景十分广阔的技术产业。鉴于GPS系统取得的巨大成功，美国还计划对其进行改进和扩充，计划研制和发射51颗新的导航卫星组成规模更大、应用更加广泛的导航星全球定位系统。