GPS 全稱：NAVigation Sistem with Timing And Ranging Global Positioning System (NAVSTARGPS)； 是由美國國防部開發(fā)運行的，它可以民用和軍用。民用標準定位服務(wù) SPS （Standard Positioning Service) 信號可由公眾自由使用，而軍用精確定位服務(wù) PPS （Precise Positioning Service）信號只能由官方授權(quán)的機構(gòu)使用。第一顆GPS衛(wèi)星是1978年2月22日放入軌道的，現(xiàn)在有28顆衛(wèi)星在20,180公里的高空在六個不同的軌道平面運行。每一個軌道與赤道成55度夾角，以保證在地球上任何一點任何時候都至少能與四個衛(wèi)星進行無線通訊。每個衛(wèi)星內(nèi)有四個原子鐘，繞地球轉(zhuǎn)一周將近12小時。


使用GPS，地球上任何一個地點的以下兩值可以確定：1，確切的位置：經(jīng)度、緯度和高度坐標。精度范圍從20米到1米。 2，精確的時間（世界標準時間，Universal Time Coordinated,UTC ），精度范圍從60ns到將近5ns。而速度和方向可由坐標和時間來確定，坐標和時間由圍繞地球的28顆GPS衛(wèi)星決定。

GPS 信號傳輸時間
每一個 GPS 衛(wèi)星里至少有四個原子鐘，原子鐘是當前眾所周知的最精確的設(shè)備，每3萬年到100萬年最多慢一秒。為了使他們更精確，他們從地球上不同點上進行定期的調(diào)整和同步。每一個衛(wèi)星以1575.42MHz頻率向地球發(fā)送自身精確的位置信號和準確的時間信號。這些時間以光速傳播300，000km/s，信號到達衛(wèi)星正下方地球表面的時間將近67.3ms。信號每傳輸一公里的時間是3.33微秒。如果你想確定你在陸地、海里或空中的位置，所有你所需的就是精確的時間，將衛(wèi)星信號到達的時間和衛(wèi)星發(fā)射的發(fā)射時間，這樣就可能決定傳輸時間。

定位點到衛(wèi)星的距離 S 可以通過傳輸時間τ來決定： S = τ×C 式中 C 是光速。測量信號傳輸時間和到衛(wèi)星的距離并不足以計算出三維空間位置，這需要四個獨立的方程，因此需要和四個不同的衛(wèi)星來計算確切的位置。
三維空間中位置的確定
事實上，要確定三維空間的位置，需要三顆衛(wèi)星，如果到三顆衛(wèi)星的距離已知，三顆衛(wèi)星的坐標已知，則三維空間位置也就可知�？臻g所有的點都可以落在到三個衛(wèi)星距離為半徑的球的表面，而要確定的點就是三個球表面的交點。如下圖：

以上我們設(shè)想能精確進測量出信號的傳輸時間，但事實并非如此，對于一個 GPS 接收機，要測量精確的時間，一個高精度的同步的時鐘是必須的。如果傳輸時間僅一微秒的誤差，這將造成位置計算上300米的誤差。由于衛(wèi)星上的時鐘都進行了同步，所以幾顆衛(wèi)星到測量點的傳輸時間的誤差值是相同的，這時可以通過數(shù)學(xué)方法來消除時間誤差的影響。同時我們還需牢記的是當計算時，有 N 未知變量，需要 N 個獨立方程。如果時間測量伴隨差一個恒定的未知誤差，要確定三維空間位置，我們有四個未知的變量。
經(jīng)度（X）
緯度（Y）
高度（Z）
時間誤差（Δt）
所以為了確定這四個未知的變量，需要四個獨立的方程，四個不同的衛(wèi)星提供所需的四個傳輸時間。所以28顆衛(wèi)星的分布方式是：在地球上任何時候任何一個點上，同時能“見到”至少四顆衛(wèi)星。


GPS接收機為了確定其自己的位置，需要接收來自四顆不同的衛(wèi)星的信號，從而計算出信號的傳輸時間Δt。計算基于卡迪爾三維坐標系統(tǒng)以地心為原點。接收機與四顆衛(wèi)星的距離R1，R2，R3，R4（如下圖）可分別通過信號傳輸時間Δt1，Δt2，Δt3，Δt4來計算出。由于四顆衛(wèi)星發(fā)送信號時的位置坐標已知，所以接收機所在地坐標可計算出。

由于衛(wèi)星內(nèi)部是原子鐘，衛(wèi)星傳輸信號時的時間是非常精確的，并且所有的衛(wèi)星時鐘都根據(jù)世界協(xié)調(diào)時（UTC）調(diào)整并且彼此同步。GPS接收機的時間和UTC時間不一定同步，因此它會慢或快一個時間Δt0。當接收機時間快，則Δt0是正值，否則為負。時間誤差Δt0引起了測量的GPS信號傳輸時間和距離的誤差，由此，這個測量出來的不精確的距離被稱為偽距（pseudo-range, PSR）。 在計算位置時以下關(guān)系是關(guān)健的：
Δtmeas=Δt + Δt0
PSR=Δtmeas×C=(Δt + Δt0)×C 或者 PSR= R + Δt0×C
上式中：Δtmeas是接收機測量出的衛(wèi)星信號傳輸時間；Δt是信號從衛(wèi)星傳輸?shù)浇邮諜C的實際時間；Δt0是接收機時鐘與衛(wèi)星時鐘的偏差值；PSR是偽距；C是光速；R是衛(wèi)星與接收機之間實際的距離。
衛(wèi)星與接收機之間實際的距離R可由卡迪爾三維坐標系統(tǒng)計算出：

為了計算出四個未知數(shù)Δt0及三維坐標 X、Y、Z，四個獨立方程是必需的。

式中i 取1...4，即要確定位置，必須同時接收到四顆衛(wèi)星有效數(shù)據(jù)。


使用GPS時一個重大的問題是全球有很多的同的坐標系統(tǒng)，因此，GPS測量和計算出的位置總是可能和測量者參考系統(tǒng)中的位置不一致。
GPS接收機計算和顯示出的數(shù)據(jù)采用的是WGS-84（World Geodetic System 1984,世界測地學(xué)系統(tǒng)1984），坐標系統(tǒng)WGS-84是相對于地球中心的位置系統(tǒng)，此系統(tǒng)又稱為ECEF（Earth Centered, Earth Fixed)。WGS-84是一個三維的，右手定測的，卡迪爾坐標系統(tǒng)，其坐標原點地球橢圓體的中心。
X軸的正向位于赤道環(huán)繞的平面，從地心指向赤道和格林威治子午線交界點（子午0點）。Y軸也位于赤道平面但指向X軸東90度。Z軸垂直XY平面由地心指向地球北極。


在WGS-84參考系統(tǒng)中，橢圓的長半軸a為6,378,137.00米，短半軸b為6,356,752.31米。
在應(yīng)用中橢圓體坐標經(jīng)度φ，緯度λ，高度h，和卡迪爾坐標系統(tǒng)X，Y，Z都常用到。

WGS-84坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為橢圓體坐標系統(tǒng)：