卫星定位是指通过利用卫星和接收机的双向通信来确定接收机的位置，可以实现全球范围内实时为用户提供准确的位置坐标及相关的属性特征。如果采用差分技术，其精度甚至可以达到米级。

卫星定位的基本原理是：围绕地球运转的人造卫星连续向地球表面发射经过编码调制的连续波无线电信号，编码中载有卫星信号准确的发射信号，以及不同时间卫星在空间的准确位置（星历）。载于海陆空各类运载体上的卫星导航接收机在接收到卫星发出的无线电信号后，如果它们有与卫星钟准确同步的时钟，便能测量出信号的到达时间，从而能算出信号在空间的传播时间。再用这个传播时间乘以信号在空间的传播速度，便能求出接收机与卫星之间的距离。

GPS（Global Positioning System）是由美国国防部授权研制的卫星导航定位系统。它是一种可以定时和测距的导航系统，可向海军舰船、空中飞机和陆地车辆提供全球、全天候、连续、实时服务的高精度三维位置、三维速度和时间信息。其目的是为美国海、陆、空三军提供精密导航，还可用于情报搜集、核爆炸监测、应急通信和卫星定位等一些军事目的。

GPS定位的基本原理是：位于地面的GPS接收机检测GPS卫星发送的扩频信号，通过相关运算获取到达时间信息并由此计算出卫星到接收机的距离，再结合卫星广播的星历信息计算卫星的空间位置，完成定位计算。有3颗卫星时，若卫星与接收机钟差很小，即可实视二维定位；4颗可见时，卫星可实现三维定位，获取更多的可见卫星可提高定位精度。GPS接收机在全球任何地方、任一时刻均能接收到至少4颗卫星信号，GPS终端可根据接收到多颗卫星的导航信息，计算出自己的三维位置（经纬度与海拔高度）、运动速度与方向以及精确的时间信息。

GPS由空间部分（导航卫星星座）、控制部分（地面监控系统）和用户部分（GPS接收终端）3大部分组成。

1．空间部分

空间部分由一组GPS卫星组成。GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上，轨道倾角为55°，各个轨道平面之间相距60°，即轨道的升交点赤经各相差60°。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90°。导航卫星设计寿命为7.5年，轨道距地面高度为20128km，运行周期为12恒星小时。

GPS导航卫星重达1500kg，星上装备了无线收发信机、天线、铯原子钟、计算机、导航电文存储器、太阳能翼板以及其他设备。每颗卫星以两个L波段频率发射无线电载波信号：

L1=1575.42MHz（波长约为19cm）

L2=1227.60MHz（波长约为24cm）

在L1/L2载波上，载有测距用P码（Precise精搜索码，码长约30m）和C/A码（Coarse/Acquisition粗搜索码，码长约300m）。其中，P码只供美国军方与授权用户使用，C/A码可供民用定位服务。此外，在载波上还调制了50bit/s的数据导航电文，其内容包括：卫星星历、电离层模型系数、状态信息、时间信息和星钟偏差/漂移等信息。

美国采用两种限制性政策：选择性可用性（SA）政策，有意使频率飘移和降低轨道精度，使C/A码原有的定位精度从20～40m降低到100m；反欺骗政策（AS），为防止P码被非授权用户使用，将P码改为Y码，使非授权用户无法解出P码。

2．控制部分

控制部分主要是地面监控系统，它负责监控GPS的工作，是GPS系统的神经中枢，也是保证GPS协调运行的核心部分，由美国国防部监管。对于导航定位来说，GPS卫星是一个动态已知点。卫星的位置是依据卫星发射的星历（描述卫星运动及其轨道的参数）算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统的另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准——GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、3个注入站和5个监测站。

（1）主控站

主控站即卫星操作控制中心（CSOC），位于加州Falcon空军基地，主要负责接收、处理来自各监控站跟踪数据，完成卫星星历和原子钟计算，卫星轨道和钟差参数计算，用以产生向空间卫星发送更新的导航数据。这些更新数据送到注入站，利用S频段（1750～1850MHz）向卫星发射。由于卫星上的原子钟有足够精度，故导航更新数据约在每天才更新一次。主控站本身还是监控站，还可用于完成诊断卫星的工作状态，进行调度等工作。

（2）监控站

GPS有5个监控站。除主控站上的监控站外，还在美国夏威夷、北太平洋上的Kwajalein岛、印度洋上的Diogo Garcia岛、大西洋上的Ascension岛上设有监控站。监控站对卫星进行跟踪与测轨，以2200～2300MHz频率接收卫星的遥测数据，进行轨道预报，并收集当地气象及大气和对流层对信号的时延数据，连同时钟修正、轨道预报参数一起传送给主控站。

（3）注入站

GPS有3个注入站，与三大洋的Kwajalein岛、Diogo Garcia岛、Ascension岛上监控站并置。注入站主要功能为将主控站送来的卫星星历、钟差信息和轨道修正参数，每天一次注入到卫星上的导航电文存贮器中。

3．用户部分

用户部分主要是GPS信号接收机，其任务是：捕获按一定卫星髙度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。在静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。

GPS接收机硬件和软件以及GPS数据的后处理软件包，构成了完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般被分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机，也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。

4．差分技术

美国政府出于军事目的，把GPS系统设置为两种级别的服务，其中C/A码为全球用户免费使用，但对C/A码采取人为降低精度的措施——选择可用性（SA）政策，这样使得单机定位只能达到100m（平面，95%置信度），这种精度为GPS系统精度，而与GPS接收机无关。因此无论何种GPS接收机，只采用C/A码定位，精度就只能达到100m。这种精度无法满足日益增多的用户的要求，为了提高实时定位精度，人们提出了差分GPS技术，经差分校正的GPS接收机定位精度优于30m，测速精度优于0.1m/s，计时精度优于10 ms。

差分GPS系统已经在许多部门得到推广应用，这些差分GPS系统绝大多数为常规的差分GPS——位于已知点上的基准站（或称参考站）把差分GPS修正信息通过数据通信链实时传送到周围的流动站用户，从而使得流动站用户提高定位精度。我们称这种差分GPS为正向差分，它应用十分普遍，技术上也很成熟。但是在一些特殊应用场合，如特定目标或物体的高精度追踪监测中，常常希望基准站实时精确知道流动站的位置，而流动站自身无需实时知道自己的位置，为此而提出了逆向差分GPS（Inverted Differential GPS，IDGPS）。逆向差分GPS要求移动目标（流动站）把原始伪距观测信息通过数据链实时传送给基准站，由基准站采用逆向差分算法完成对流动站的精确求解，从而实时监测移动目标。

当前，美国正加紧部署研究GPSⅢ计划。为了满足到2030年的军用、民用要求，GPSⅢ将选择全新的优化设计方案，放弃现有的24颗中轨道卫星，采用全新的33颗高轨道加静止轨道卫星组网。与现有GPS相比，GPSⅢ的信号发射功率可提高100倍，定位精度提高到0.2～0.5m，授时精度1ns，这样可以使GPS制导武器的精度达到1m以内。

前苏联自1978年10月开始，发射自己的全球卫星导航系统格林纳斯（GLONASS）试验卫星。GLONASS导航卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，均匀地分布在3个轨道平面上。GLONASS系统在系统组成和工作原理上与GPS类似，也是由卫星星座、地面控制系统和用户设备3部分组成。

1．卫星星座

GLONASS系统采用中的24颗卫星，均匀分布在3个圆形轨道平面上，每个轨道面有8颗卫星，轨道高度为19000km，倾角为64.8°，轨道扁心率为0.01，地迹重复周期为8天，轨道同步周期为17圈，由于GLO NASS卫星地轨道倾角大于GPS卫星倾角，所以在高纬度（50°以上）地区的可见性较好。

与美国GPS系统不同的是，GLONASS系统采用频分多址方式，根据载波频率来区分不同卫星。每颗GLONASS卫星发播两种载波频率，分别为L1=1602+0.5625K（MHz）和L2=1246+0.4375K（MHz），其中，K=1～24为每颗卫星的频率偏号。GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：S码和P码。俄罗斯对GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放政策。

2．地面控制系统

GLONASS地面控制部分（Ground Control Segment，GCS）包括位于莫斯科的系统控制中心和分布于全俄罗斯的指令跟踪站CTS（Command Tracking Station）组成的网络。CTS站跟踪GLONASS可见卫星，它遥测所有卫星，进行测距数据的采集和处理，并向各卫星发送指令和导航信息。在GCS内有激光测距设备对测距数据作周期修正。

3．用户设备

GLONASS接收机用于接收GLONASS卫星信号并测量其伪距和速度，同时从卫星信号中提取并处理导航电文。接收机中的计算机对所有输人数据进行处理并算出坐标位置的3个分量以及速度矢量的3个分量和时间。

GLONASS系统可供国防和民间使用，不带任何的限制，也不对用户收费。民用的标准精度为水平方向50～70m，垂直方向75m，并声明不引入选择可用性。

欧洲在1999年正式推出“伽利略（Galileo）”导航卫星计划，该计划在2004年4月欧盟15国交通部长会议上批准启动，“伽利略”导航卫星系统正按原定研发计划分步实施。在2005年完成卫星和地面系统的研发与仿真测试；2006年至2007年进行卫星的发射并进行地面分站的安装调试。该方案由30颗中高度圆轨道核心星座组成，另外增加3颗覆盖欧洲的地球静止轨道卫星，辅以GPS和本地差分增强系统，其定位精度按缴纳费用而异，最高精度比GPS高10倍，即使免费使用的定位精度也达6m。

“伽利略”导航卫星系统的卫星星座是由分布在3个轨道上的30颗中等高度轨道卫星（MEO）构成，每条轨道卫星个数为10（9颗工作、1颗备用），轨道倾斜角为56°；轨道高度为24000km；运行周期为14小时4分。卫星个数与卫星布置均和美国GPS系统的星座有一定的相似之处。“伽利略”系统的工作寿命为20年，中等高度轨道卫星星座工作寿命设计为15年。这些卫星能够被直接发送到运行轨道上正常工作。每一个MEO卫星在初始升空定位时，其位置都可以稍微偏离正常工作位置。

“伽利略”为地面用户提供3种信号：免费使用的信号、加密且需交费使用的信号以及加密且需满足更高要求的信号。“伽利略”系统的另一个优势在于，它能够与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现多系统内的相互兼容。“伽利略”的接收机可以采集各个系统的数据或者通过各个系统数据的组合来满足定位导航的要求。

“伽利略”除能提供精确的定位信号外，还可以提供移动电话业务服务，用于救生行动。例如，接收失事飞机的求救信号后，快速通知附近的救援部门。

COMPASS是我国自主研发的全球卫星导航系统，包括“北斗一号”和“北斗二号”两套系统。“北斗一号”卫星定位系统方案于1983年提出，突出特点是构成系统的空间卫星数目少、用户终端设备简单、一切复杂性均集中于地面中心处理站。“北斗一号”卫星定位系统是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、高精度、区域性的卫星定位系统。

“北斗一号”卫星定位系统由两颗地球静止卫星、一颗在轨备份卫星、中心控制系统、标校系统和各类用户机等组成。系统的工作过程是：首先由中心控制系统向卫星I和卫星II同时发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟；从中心控制发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，因此，由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外，中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查找到用户高程值，又可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而使中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密后由出站信号发送给用户。

“北斗一号”系统的主要功能包括定位，即快速确定用户所在地的地理位置，向用户及主管部门提供导航信息；通信，即用户与用户、用户与中心控制系统间均可实现双向简短数字报文通信；授时，即中心控制系统定时播发授时信息，为定时用户提供时延修正值。

“北斗一号”的覆盖范围是5°～55°N，70°～140°E的核心地区，最宽处在北纬35°左右。其定位精度为水平精度100m，设立标校站之后为20m（类似差分状态）。

“北斗二号”系统目前正在建设之中，预计于2020年前完成，将构成由30多颗不同轨道类型的卫星组成的全球卫星导航系统。