所謂“GPS”，就是英文“全球定位系統(tǒng)”三個(gè)詞的詞頭縮寫．它由24顆人造地球衛(wèi)星（即圍繞地球的6個(gè)圓形軌道上平均分布的導(dǎo)航衛(wèi)星），設(shè)在美軍基地上的空控站、注入站、監(jiān)視站、以及廣泛裝備于飛機(jī)、艦艇、坦克乃至單兵的GPS接收機(jī)等組成．

 

　　GPS全球定位系統(tǒng)可實(shí)時(shí)連續(xù)地為用戶提供三維空間的位置信息、測(cè)定用戶的運(yùn)動(dòng)速度，并可提供精確的授時(shí)勤務(wù)，其定位誤差不大于10米，授時(shí)誤差不大于0.1秒，授時(shí)精度優(yōu)于0.000001秒，且其電波信號(hào)還具有一定的抗干擾的能力．

 

　　GPS如何定位?

 

　　GPS采用“時(shí)間同步、單程測(cè)距”的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)定位，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是用戶同時(shí)向已知位置的3個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星分別進(jìn)行距離測(cè)量，然后再以該衛(wèi)星為球心，以所測(cè)得的距離為半徑，在空間畫3個(gè)球面，則該3個(gè)球面的相交點(diǎn)，就是用戶的所位置了．所謂“時(shí)間同步”是指衛(wèi)星上的時(shí)鐘與用戶設(shè)備內(nèi)的時(shí)鐘是精確同步的（譬如說(shuō)校準(zhǔn)到兩者之間幾萬(wàn)年才差1秒鐘）；而“單程測(cè)距”則是指從導(dǎo)航衛(wèi)星上發(fā)出的無(wú)線電測(cè)信號(hào)在傳播到用戶設(shè)備的這一單向行程中，就可以把它們之間的距離測(cè)量出來(lái)．

 

　　1999年3月27日，北約部隊(duì)一架F-117A隱形戰(zhàn)斗機(jī)被南聯(lián)盟防空部隊(duì)擊落．飛行員跳傘后在腳觸地的一剎那，通過(guò)手持式GPS全球定位信號(hào)發(fā)射器發(fā)出緊急呼救信號(hào)，當(dāng)間諜衛(wèi)星把呼救信號(hào)傳送到北約空襲南聯(lián)盟指揮所后，美軍立即安排了救援行動(dòng)．6小時(shí)后，當(dāng)一架EA-6B電子干擾機(jī)發(fā)現(xiàn)飛行員的準(zhǔn)確位置時(shí)，一架MH-60G搜索與救援直升機(jī)降落在飛行員面前，把飛行員接上直升機(jī)并安全返回基地．

 

　　什么是GPS全球定位系統(tǒng)？

 

1．衛(wèi)星多普勒定位技術(shù) 

 

　　多普勒效應(yīng)是1842年奧地利物理學(xué)家多普勒（Chritian Doppler）首先發(fā)現(xiàn)的，其可以表述為：當(dāng)波源與觀察者做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的頻率與波源發(fā)射的頻率不同．波源相對(duì)于測(cè)站運(yùn)動(dòng)所引起的多普勒效應(yīng)可用下式表示： 

 

　　式中c為真空中的光速，v為衛(wèi)星相對(duì)于測(cè)站的瞬時(shí)速度，fs為波源發(fā)射頻率，fr為測(cè)站接收到的頻率，a為波源瞬時(shí)速度方向與波源至測(cè)站連線的夾角．如果波源是衛(wèi)星上已知發(fā)射頻率的無(wú)線電信號(hào)發(fā)射源，衛(wèi)星到測(cè)站的距離為r，則  為衛(wèi)星的徑向速度．(1)式經(jīng)過(guò)整理得：

 

　　觀測(cè)站就可根據(jù)所測(cè)量的接收頻率而得出多普勒頻移，再經(jīng)過(guò)技術(shù)處理，算出衛(wèi)星在某一瞬時(shí)與測(cè)站的距離差，從而確定測(cè)站的地心坐標(biāo)．實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了精確地測(cè)量多普勒頻移Δf，通常在地面接收機(jī)內(nèi)增加一個(gè)固定的頻率，即“本征頻率”，將接收到的頻率與“本征頻率”混頻，得出差拍頻率，最后用積分的方法導(dǎo)出多普勒頻移或直接進(jìn)行定位計(jì)算．

 

　　1957年10月4日，前蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，美國(guó)霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的韋芬巴赫（G.C.Weiffenbach）和吉爾（W.H.Guier）等人根據(jù)多普勒效應(yīng)的原理，在已知坐標(biāo)的地面點(diǎn)x跟蹤前蘇聯(lián)衛(wèi)星播發(fā)的無(wú)線電信號(hào)，測(cè)得其多普勒頻移，確定了前蘇聯(lián)衛(wèi)星的軌道參數(shù)．隨后，當(dāng)時(shí)任該實(shí)驗(yàn)室研究中心主席的麥克雷（F.T.Meclure）等人設(shè)想了一個(gè)“反方案”，通過(guò)測(cè)量已知軌道參數(shù)的衛(wèi)星播發(fā)的無(wú)線電信號(hào)的多普勒頻移來(lái)測(cè)定測(cè)站的坐標(biāo)，這就是衛(wèi)星多普勒定位技術(shù)．

 

　　GPS全球定位系統(tǒng)

 

2．GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)

 

　　1973年12月美國(guó)國(guó)防部為了滿足美國(guó)陸?？杖姷男枰?，開始研制“導(dǎo)航衛(wèi)星定時(shí)和測(cè)距全球定位系統(tǒng)”（navigation satellite timing and ranging global positioning system），簡(jiǎn)稱GPS全球定位系統(tǒng)．

 

　　GPS系統(tǒng)由太空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及用戶系統(tǒng)組成．太空部分由21顆衛(wèi)星和3顆備份衛(wèi)星組成，衛(wèi)星均勻分布在2萬(wàn)km高的6個(gè)軌道平面上，其運(yùn)行周期為12小時(shí)，傾角為63°，可完全覆蓋全球．衛(wèi)星以1575.42兆赫和1227.6兆赫的頻率發(fā)送導(dǎo)航信號(hào)．該系統(tǒng)的控制系統(tǒng)由1個(gè)主控站、1個(gè)上行數(shù)據(jù)傳輸站和4個(gè)監(jiān)控站組成，其任務(wù)是保證衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)的質(zhì)量．用戶系統(tǒng)的設(shè)備由天線、接收機(jī)、帶有軟件的數(shù)據(jù)處理設(shè)備和“控制/顯示”裝置組成．

 

　　GPS系統(tǒng)主要執(zhí)行導(dǎo)航、氣象觀測(cè)之類的任務(wù)，平時(shí)如遇營(yíng)救等任務(wù)則就成為了搜索和營(yíng)救衛(wèi)星系統(tǒng)．目前搜索和營(yíng)救衛(wèi)星技術(shù)已趨于完善，能夠提供24小時(shí)連續(xù)覆蓋的實(shí)用型GPS系統(tǒng)已研制成功，它能監(jiān)聽到任何時(shí)刻由地球上任何地方的遇難者發(fā)出的呼救聲，為營(yíng)救部隊(duì)指點(diǎn)迷津．

3．GPS系統(tǒng)的營(yíng)救范例

 

　　GPS系統(tǒng)在營(yíng)救F-117A隱形戰(zhàn)斗機(jī)飛行員之前，曾成功地營(yíng)救過(guò)美國(guó)F-16戰(zhàn)斗機(jī)的飛行員，1993年4月還曾營(yíng)救過(guò)阿拉法特．

 

　　1993年4月，巴勒斯坦解放組織領(lǐng)導(dǎo)人阿拉法特的座機(jī)在飛行途中不幸遇上沙暴，飛機(jī)被迫降落在撒哈拉大沙漠里．與阿拉法特失去聯(lián)系的巴勒斯坦解放組織總部使盡渾身解數(shù)尋找未果，最后只好借助美國(guó)的偵察衛(wèi)星．十幾小時(shí)之后，才在茫茫沙漠中找到了迫降飛機(jī)的準(zhǔn)確位置，使阿拉法特獲救．美國(guó)使用的這種衛(wèi)星救援系統(tǒng)正是屢見奇功的“導(dǎo)航星”全球定位系統(tǒng)，即GPS．由于它全球定位及時(shí)準(zhǔn)確，被稱為“當(dāng)代觀音”