1.1 什么是GPS
GPS即全球定位系統(Global Positioning System)是70年代由美國陸、海、空三軍聯合研制的．具有在海、陸、空進行全方位實時二三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統。其主要目的是為陸、海、空三大領域提供實時、全天候和令球性的導航服務，并用于情報收集、核爆監測和應急通訊等目的。經過20余年的研究實驗，耗資200億美元，于1994年全面建成。建成后，24小時免費為全球提供衛墾導航定位信號。
GPS衛星發送兩種碼：P碼(精碼)和C／A碼(粗碼)。P碼只供美軍及其盟軍以及美國政府批準的用戶使用，定位精度達到3 m；C／A碼為民用，對社會開放，定位精度為14 m。出于自身安全的考慮，美國先后實施了SA和AS政策。SA政策是在C／A碼中人為引人誤差，使定位精度下降到100 m；AS政策是對P碼實行加密。2000年5月1日起美國停止了故意降低民用信號性能的SA政策，對民用碼不加干擾，使民用信號精度大大提高，SA已經成為歷史。
1.2 GPS系統的組成
GPS系統由3部分構成：
(1)空間星座部分：即GPS衛星星座。由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成。衛星高度約2.02萬干米，均為近圓形軌道，運行周期約為11小時58分，24顆衛星均勻分布在6個軌道面上(每軌道面4顆)，軌道傾角為55°。衛星的分布使得在全球的任何地方，任何時間都可觀測到4顆以上的衛星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形(DOP)。這就提供了在時間上連續的全球導航能力。
(2)地面監控部分：他包括1個主控站、3個注入站和5個監測站，負責衛星的監控和衛星星歷(描述衛星運動及其軌道的參數)的計算。監測站設有GPS用戶接收機、原子鐘、收集當地氣象數據的傳感器和進行數據初步處理的計算機。監測站的主要任務是取得衛星觀測數據并將這些數據傳送至主控站。主控站設在范登堡空軍基地，他的主要任務是收集各監測站對GPS衛星的全部觀測數據，利用這些數據計算每顆GPS衛星的軌道和衛星鐘改正值，另外，他還要對地面監控部分實行全面控制。注入站也設在范登堡空軍基地，他的任務主要是在每顆衛星運行至上空時把各類導航數據及主控站的指令注入到衛星。這種注入對每顆GPS衛星每天進行一次，并在衛星離開注入站作用范圍之前進行的注入。
(3)用戶設備部分：主要由GPS接收機硬件和處理軟件組成。用戶通過GPS信號接收機接收GPS衛星信號，經軟件進行信號處理而獲得用戶位置、速度、時間等信息，終實現利用GPS進行導航和定位的目的。GPS信號是一種可供無數用戶免費共享的信息資源，只要用戶擁有GPS信號接收機，就可享受免費的導航、授時和定位服務。
1.3 GPS定位原理
GPS基本定位原理是：衛星不間斷地發送衛星訊號，用戶接收到這些訊號后，經過計算求出自身的三維位置、三維方向以及運動速度和時間信息，且無需為接收的衛星訊號本身支付任何費用。
24顆GPS衛星在空中環繞地球運行，在任意時刻，在地面上的任意一點，都可以同時觀測到4顆以上的衛星。每顆衛星都全天候地向地面傳輸訊號，訊號中包含有偽亂碼、星歷資料及Almanac。偽亂碼是衛星的身份標識，他告訴我們訊號是由哪一顆衛星傳輸下來的；星歷資料含有衛星是否健康、現在的日期、時間等信息；Almanac傳輸軌道信息告訴我們衛星所在天空的位置。就是說，每一顆衛星會告訴GPS接收機3件事：我是第幾號衛星，我現在位置在哪里，我什么時候送訊息給你。
定位計算時，以觀測到的4顆衛星(前3顆衛星進行幾何定位，后1顆衛星用于計算衛星鐘和接收機的鐘差，以提高定位精度。)的瞬間位置作為已知的起算數據，利用三維坐標中的距離公式，可以得到以下4個方程式：
由以上4個方程即可解算出待測點的坐標(x，y，z)和接收機的鐘差Vt0。接收機不斷更新位置，就可以計算出移動的方向及速度。
事實上，接收機往往可以鎖住4顆以上的衛星，這時，接收機可按衛星的星座分布將其分成若干組，每組4顆，然后通過算法挑選出誤差小的一組用作定位，從而提高精度。
由于衛星運行軌道、衛星時鐘存在誤差，大氣對流層、電離層對信號的影響，使得民用GPS的定位精度不高。為提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技術，即建立基準站(差分臺)進行GPS觀測，利用已知的基準站精確坐標，與觀測值進行比較，從而得出一修正數，并對外發布。接收機收到該修正數后，與自身的觀測值進行比較，消去大部分誤差，得到一個比較準確的位置。實驗表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5 m。
1.4 GPS系統的主要特點
全天候；全球覆蓋；三維定速、定時，高精度；快速，省時，高效率；應用廣泛，多功能。
1.5 GPS系統的主要用途
(1)陸地應用：主要包括車輛導航、應急反應、大氣物理觀測、地球物理資源勘探、工程測量、變形監測、地殼運動監測、市政規劃控制等。
(2)海洋應用：包括遠洋船航程航線測定、船只實時調度與導航、海洋救援、海洋探寶、水文地質測量以及海洋平臺定位、海平面升降監測等。
(3)航空航天應用：包括飛機導航、航空遙感姿態控制、低軌衛星定軌、導彈制導、航空救援和載人航天器防護探測等。
2 車載導航系統
雖然GPS一開始是為軍事目的而建立的，但很快和民用方面得到了極大的發展。在民用方面，發展快，為人們熟悉的就是車載GPS導航了。他可以為人們提供“位置指示”和“導航”服務，即：我在哪里?某處在哪里?去某處怎么走?這是一套極其先進的系統，能夠偵測汽車在行駛途中的現時位置，幫助駕駛者在陌生的道路環境中，通過電子地圖與語音指南，準確地掌握前往目的地的路線。除了購買GPS設備和電子地圖的費用外，GPS導航是沒有使用費用的。在發達國家，車載GPS導航已經是一個非常成熟的系統。日本的車載導航體系是全球的，超過80％的日本新車裝有車載導航，不但附帶豐富的覆蓋全國的電子地圖，而且已經實現了幾乎全部城市的道路信息實時發布，車載導航系統會根據道路信息實時調整行駛路線，這樣既可以減少路程花費時間，又可以幫助交通管理部門調整交通流量，一舉兩得。
2.1 車載導航系統的組成
目前的車載GPS系統終端通常由GPS模塊、無線通信模塊、報警控制模塊、語音控制模塊、顯示模塊、車載PC、電子地圖、自律導航模塊、車速傳感器、陀螺傳感器、地圖匹配模塊等幾個部分組成。
GPS模塊 用來接收GPS衛星訊號。
無線通信模塊 通常采用車載無線電話、電臺或移動數據終端，以完成信息交互功能。
報警控制模塊 向監控中心網絡發出報警訊號，通報車輛異常信息。
語音控制模塊 完成聲音控制及服務等功能。
顯示模塊 用來顯示位置路況等視頻圖像信息。
車載PC 整合處理各功能模塊，配合相應的軟件，完成指定功能，如進行數據處理，計算所在位置的經度，緯度，海拔，速度和時間等。
電子地圖 儲存著豐富的城市地圖、全國的公路網圖，此外，一般還儲存有加油站、便利商店、政府機關、旅游景點、餐館、停車場等信息。
自律導航模塊 當汽車行駛到地下隧道、高層樓群、高速公路等遮掩物處而捕捉不到GPS衛星信號時，系統自動導人自律導航系統。此時依靠車速傳感器及陀螺傳感器兩者的信息反饋及車載PC的數據處理，使得在無法接收衛星信號的地方，仍然可以修正到汽車現時的位置，完成精確的無間斷的三維坐標、速度和時間的定位。
地圖匹配模塊 由GPS衛星導航和自律導航所測到的汽車位置、前進方向都與實際行駛的路線軌跡存在一定誤差。為修正這兩者間的誤差，需要采用地圖匹配技術，對汽車行駛的路線與電子地圖上道路的誤差進行實時相關匹配，并做自動修正，以指示出正確的行駛路線。
2.2 車載導航系統的主要功能
導航功能 使用者在車載GPS導航系統上任意標注兩點后，導航系統便會自動根據當前的位置，為車主設計路線，包括快的路線、簡單的路線、通過高速公路路段次數少的路線等，供車主選擇。另外，還可做人工線路設計：由車主設計起點、終點和途經點等，然后自動進行線路規劃，并在顯示器上顯示出設計的線路。此外，他還有修改功能，假如用戶因為不小心錯過路口，沒能走選定的線路，車輛位置偏離線路軌跡200 m以上，導航系統會根據車輛所處的位置，為用戶設計一條回到原航線的路線，或是重新為用戶設計一條從現在位置到終點的線路。
語音提示功能 如果前方遇到路口或者轉彎，系統就給出轉向等語音提示，以避免車主走彎路。他能夠提供全程語音提示，駕車者無需觀察顯示界面就能實現導航的全過程，使行車更加安全方便。
信息查詢功能 車載系統都配備了電子地圖，電子地圖含有全同的各大省會城市及各中小城市，駕車者可以隨時查看任一地點的交通、建筑、旅游景點、賓館、醫院等情況。
增加興趣點功能 由于我國大部分城市都處于建設階段，隨時隨地都有可能冒出新的建筑物，一旦遇到電子地圖上沒有的目標點，只要你認為有必要，就可將該點或者新路線增加到地圖上。這些新增加的點與地圖上原有的點一樣，均可套用進電子地圖查閱等功能。
定位功能 通過接收GPS衛星信號，可以準確地定出其所在的位置，并可以在地圖上相應的位置用一個記號標記出來。同時，GPS還可以取代傳統的指南針顯示方向，取代傳統的高度計顯示海拔高度等信息。
測速功能 通過對衛星信號的接收計算，可以測算出行駛的具體速度，比一般的里程表準確很多。
顯示航跡功能 導航系統具有航跡記錄功能，可以記錄下用戶車輛經過的路線。如果在別人帶領下去了一個陌生的地方，那么獨自返回時，就可以啟動他的返程功能，讓他領著你順著米時的路線順利回家。
2.3 車載導航系統的類別
現有的車載GPS導航系統主要分為3類：
原廠GPS導航系統 目前不少車配有原廠GPS導航系統，這種導航系統外形美觀，運作穩定可靠，屏幕顯示清晰，功能強大且定位迅速準確。原廠的升級和售后服務十分完善，但價格高。
副廠GPS導航系統 目前有很多專業廠商為汽車提供GPS系統的加裝。這種GPS裝置適合那些沒有原廠GPS的車型，性能和售后服務不錯，價格也不太高，是很受歡迎的一類。
自攢GPS導航系統 車主可自行購買GPS導航頭，通過藍牙或線纜與筆記本電腦或者掌上電腦連接，配合電子地圖，組成GPS系統。這種導航系統效果也很好，并且價格廉，但要求車主必須對電腦知識十分熟悉，還要自己動手，因此很難普及。
除以上3類外，還有手持GPS導航儀，他體積較小(和手機差不多)，性能也十分穩定。但是由于手持GPS對電子地圖支持不好，屏幕也較小，一般不太適合車載使用。
3 結 語
GPS問世以來，已充分顯示了其在導航、定位領域的霸主地位。幾乎全世界所有需要導航、定位的用戶都被GPS的高精度、全天候、全球覆蓋、方便靈活和優質價廉所吸引。多年實踐表明，GPS是迄今的導航定位系統。今后，所有運載器都將依賴于GPS，他將象于機、傳真、計算機對我們生活的影響一樣，人們日常生活將離不開他。
在汽車導航方面，以GPS導航為代表的綜合信息平臺將是未來汽車通訊與導航產品的發展趨勢。這種平臺將整合汽車通訊功能和導航功能，成為一個集交通信息、汽車行駛信息、通訊娛樂服務于一體的綜合信息系統。隨著國內導航產鏈的逐步成熟和發展，國內導航產業將穩步提升，價格也將終接近大眾消費水平，GPS導航系統必將成為汽車的基本裝備，成為人們休閑、娛樂、旅游探險不可缺少的必備工具。