全球定位系统（Global Positioning System）简称GPS是一个由美国政府开发的先进卫星导航系统，可以为地球表面绝大部分地区（大于98%）提供准确的定位、测速和高精度的标准时间。其根源可追溯到20世纪50年代末的空间竞赛。GPS的发展始于对第一颗成功进入地球轨道的卫星——苏联的“斯普特尼克”发射的无线电信号的研究。这些信号的多普勒效应使科学家能够追踪卫星的运动，进而开发出利用卫星信号来确定地面接收器位置的技术。这项技术最初被用于军事导航，尤其是用于美国海军的导弹潜艇。随着技术的发展，GPS逐渐成为民用和商业领域中不可或缺的一部分，从手机中的简单时间坐标显示到自动驾驶汽车等更复杂系统的应用，GPS技术都扮演着关键角色。

美国国防部于1973年启动了GPS项目，旨在为全球提供精确的时间和位置信息。自1978年发射首颗卫星开始，到1994年完成由24颗卫星组成的星座配置，GPS成功实现了全球覆盖。随后，1996年启动的GPS现代化计划着重提高了卫星和地面系统的性能，特别是在精度、信号有效性和可靠性方面进行了优化，并增加了多个民用信号，显著提升了GPS在民用领域的应用性能。从2000年开始，美国政府取消了限制民用GPS精度的“选择性可用性”政策，使得民用GPS的精度得到了显著提升。这些技术进展确立了GPS作为现代导航和定位领域核心技术的地位，广泛应用于军事、民用和商业领域。

GPS具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位的能力。其显著特点包括全天候工作、高定位精度、多功能应用、全球覆盖和易于操作。GPS的应用非常广泛，涵盖了导航、大地测量、资源勘察、地球力学等多个领域，对国民经济的各个部门和人们的日常生活产生了深远影响。截至2023年，GPS系统由31颗在轨运行的操作性卫星组成，但不包括已退役或作为在轨备用的卫星。此外，该系统还包括地面支撑系统（主控站、注入站和监测站）和用户设备。美国太空部队（U.S. Space Force）已经超过十年运行了超过31颗GPS卫星，以履行至少保持24颗操作性卫星的承诺。

全球定位系统（GPS）的前身是美军研制的一种子午仪卫星定位系统（Transit），该系统于1958年开始研制，并于1964年正式投入使用。子午仪系统使用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13次，但无法提供高度信息，且在定位精度方面也不尽如人意。。

由于卫星定位在导航方面显示出巨大的优越性，同时考虑到子升仪系统在潜艇和舰船导航方面存在的缺陷，美国海陆空三军及民用部门都迫切需要一种新的卫星导航系统。为此，美国海军研究实验室（NRL）提出了名为Tinmation的计划，该计划使用12到18颗卫星组成的10000km高度的全球定位网，并于1967年、1969年和1974年各发射了一颗试验卫星​​。这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，为GPS系统的精确定位奠定了基础。

与此同时，美国空军提出了621-B计划，该计划使用每星群4到5颗卫星组成的3至4个星群，这些卫星中除1颗采用同步轨道外，其余的都使用周期为24小时的倾斜轨道。该计划基于伪随机码（PRN）传播卫星测距信号，其强大的功能能在信号密度低于环境噪声的1%时也能将其检测出来​​。伪随机码的成功应用对GPS系统的成功起到了重要作用。

由于同时研制两个系统会造成巨大的费用，且这两个计划都是为了提供全球定位而设计的，因此1973年美国国防部将两者合二为一，由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局（JPO）领导，办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表​。

最初的GPS计划是由美国国防部在1973年发起的。该计划融合了1960年代的几个前身项目，包括由海军研究实验室（NRL）的Roger L. Easton、航天公司的Ivan A. Getting以及应用物理实验室（APL）的Bradford Parkinson的设计研究​​。这个计划的目标是开发一种更强大、更准确的卫星导航系统。基于此架构，每颗卫星都配备了自己的时钟，通过地面站定期更新，以高精度和准确性监测GPS卫星的位置。1972年，空军上校Bradford Parkinson被任命负责卫星导航计划，他领导的团队综合了TRANSIT、Timation和621-B计划的最佳方面，最终提出了一种使用24颗卫星的被动单向测距系统​。GPS最初的设计方案包括24颗卫星，设计方案包括将这24颗卫星放置在互成120度的三个轨道上。这样的配置使得地球上任何一点都能观测到6至9颗卫星。这一布局能够提供的粗码精度达到100米，精码精度则可以达到10米。然而，由于预算限制，整体计划调整为将18颗卫星分布在互成60度的6个轨道上。

GPS计划的实施共分三个阶段：

第一阶段（方案论证和初步设计）

1978-1979年间，加利福尼亚州的范登堡空军基地使用双子座火箭发射了4颗试验卫星，这些卫星的轨道长半轴为26560公里，转轴倾角为64度，轨道高度为20000公里。主要任务是研制地面接收机和建立地面跟踪网，结果表明设计理念和技术的可行性。其间GPS卫星技术历经多次重要的迭代与革新，从Block Ⅰ至Block ⅡF，其技术进步与持续创新显著。特别值得关注的是，与Block-IIR之前的型号相比，后者展现了在自主导航能力上的根本性跨越。早期Block系列的卫星缺乏自主导航功能，这些卫星的星钟与星历参数都是基于地面控制段的实时估算进行预报，并每天注入一次，以确保导航的准确性与可靠性。然而，Block-IIR卫星的问世改变了这一现状。该型号卫星首次引入了星上自动预估星钟与星历参数的功能，从而能够自主地生成并广播导航信息。这一技术突破不仅显著提高了导航的精度与效率，更在降低对地面控制段依赖的同时，增强了整个GPS系统的自主性与稳健性。

第二阶段（全面研制和试验）

1979-1984年期间，陆续发射了7颗被称为BLOCK I的试验卫星，并研制了多种用途的接收机。实验结果显示，GPS定位精度远超设计标准，即使仅使用粗码定位，其精度也能达到14米。特别是在1981年，休斯飞机公司开发的氢原子钟为BLOCK IIR型卫星带来了10−14/天的相对频率稳定度，从而将定位误差进一步减少至1米以内。氢原子钟的引入标志着GPS定位技术的重大飞跃，大幅提高了定位的准确性和可靠性。1988年，GPS计划经历最后一次重大修改，最终决定以21颗工作星和3颗备份星分布在互成30度的6条轨道上，这也确定了之后GPS卫星所使用的工作方式。

第三阶段（实用组网）

1989年2月4日，第一颗GPS工作卫星成功发射，标志着此阶段卫星被称为BLOCK II和BLOCK IIA。此阶段宣告GPS系统正式进入工程建设状态。在整个GPS组网计划中，除了1981年的一次发射失败之外，其余所有卫星均发射成功。到1993年底，具备实用功能的GPS网即（21+3）的GPS星座已经建成，后续将根据计划更换失效的卫星。

GPS最初设计为军事应用，但随着时间的发展，其在民用领域的应用逐渐增加。1983年，美国总统里根宣布GPS一旦建成，将向公众开放。这开启了GPS民用时代，提供了两种测距码：军用的P码和民用的C/A码。尽管最初民用精度受限，但随后美国在2000年取消了对民用信道的SA干扰信号，民用GPS的定位精度从之前受限的较低精度提高到平均6.2米的实用化水平，从而激发了广泛的民用应用和产业发展。因此，GPS开始普及于民众生活中。1989年，市场上出现了首款商用手持GPS装置。到了2000年，美国政府增加了三个非军事用途的GPS信号，并终止了“选择性可用性”程序，这大大提高了民用GPS的精度​​。

全球定位系统（GPS）的现代化升级是一个复杂的、多阶段的项目，其主要目的是提高系统的性能和为更广泛的应用提供支持。这个过程始于2000年，当时美国政府关闭了GPS的选择性可用性（SA）功能，这一决策立即提升了民用定位精度。紧接着，GPS III计划于2000年由美国国会授权，涉及新的地面站和卫星的建造，这些卫星为民用和军事用户提供了额外的导航信号，从而改善了精度和可用性。引入的新信号，如L2C、M-code、L5和L1C，从2005年起逐步投入使用，显著增强了GPS的抗干扰能力和导航精度。新一代卫星名为GPS Block III（之前称为Block IIIA），包括首批十颗GPS III卫星，这些卫星将用于维持Navstar全球定位系统的运行。洛克希德·马丁公司负责设计、开发和制造GPS III非飞行卫星测试床（GNST）以及所有十颗Block III卫星。该系列中的第一颗卫星预计于 2014 年发射，但由于出现严重延误，在经历数次推迟发射时间后，首颗卫星的发射于2018 年 12 月23日发射成功。

在GPS现代化升级之后，卫星的补充发射主要目的是为了保持系统的持续运行和服务质量。美国承诺至少维持24颗运行中的GPS卫星，以确保95%的时间都有可用的卫星服务。实际上，美国太空部队通常会运行超过24颗GPS卫星，以维持广泛的覆盖范围，尤其是在基线卫星需要维护或退役时。这样可以确保即使有卫星维护或退役的情况发生，仍然能够提供持续可靠的GPS导航和定位服务为了提高全球覆盖能力，2011年6月，空军成功完成了被称为“Expandable 24”配置的GPS星座扩展。这一配置将原有的24个卫星槽扩展为27个，改善了全球大部分地区的覆盖情况​​。近年来，美国太空部队还进行了一系列GPS III卫星的发射，包括2020年和2021年间成功发射并投入运行的多颗GPS III卫星​​。

苏联成功发射第一颗人造卫星后，美国约翰·霍布斯金大学应用物理实验室的研究人员提出了一个设想：如果我们能够通过观测站的位置来确定卫星的位置，那么理论上，我们也应该能够通过已知卫星的位置来测量出接收者的位置。这一设想成为了导航卫星的基本理念。GPS导航系统的工作原理是通过测量已知位置的卫星与用户接收机之间的距离，并利用多颗卫星的数据进行综合分析，从而精确确定接收机的具体位置。想要达到这一目的，卫星的位置需要通过查询星载时钟记录的时间和卫星星历数据来确定。用户与卫星之间的距离则通过测量卫星信号传播到用户所需的时间来计算，这个时间乘以光速即得到距离。但由于大气层和电离层的干扰，这个计算出来的距离并不是真实的直线距离，而是被称为伪距（Pseudo-Range）。GPS卫星通过发射含有伪随机码（伪码）的导航电文来正常工作。这些伪码主要包括民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码的频率是1.023MHz，重复周期为一毫秒，码间距为1微秒，相当于300米的距离；而P码的频率是10.23MHz，重复周期长达266.4天，码间距0.1微秒，相当于30米的距离。Y码则是基于P码发展而来，具有更高的保密性能。GPS导航电文包含了卫星星历、工作状态、时钟修正、电离层时延修正、大气折射修正等重要信息。GPS系统通过解调卫星信号来获取导航电文，并以每秒50比特的速率在载频上进行调制后发射。每个GPS导航电文主帧包括5个子帧，每个子帧持续6秒。其中，前三个子帧包含10个字码，这部分内容每30秒重复一次，并且每小时更新一次。而后两个子帧的总数据量为15000比特。导航电文主要包含遥测码、转换码和第1、2、3号数据块，其中星历数据最为关键。用户接收到这些导航电文后，可以通过比对卫星时间和自己的时钟来计算与卫星之间的距离。同时，利用电文中的星历数据可以确定卫星在发射电文时的确切位置。根据这些信息以及WGS-84大地坐标系，用户就可以精确地获知自己的位置和速度。需要注意的是，由于用户接收器的时钟与卫星的时钟不总是完全同步，因此在计算过程中还需要引入一个时间差Δt作为一个额外的未知数。这个时间差代表了卫星与接收机之间的时间差异。为了解出用户的三维坐标（x、y、z）以及时间差Δt，需要至少接收到4个卫星的信号，并用4个方程来求解这4个未知数。GPS卫星的信号传输是通过特定的调制技术实现的。这些技术包括CDMA（码分多址）和PSK（相位偏移键控），使得多个卫星可以在相同的频率上发送信号，而不会相互干扰。CDMA技术允许每颗卫星使用独特的伪随机噪声（PRN）代码，确保接收机可以区分并跟踪来自不同卫星的信号。

差分全球定位系统（DGPS）是一种基于已知参考坐标点的技术，用于修正GPS的误差，进而提升其定位精度。其工作原理主要是利用附近的已知参考坐标点（这些坐标点通常由其他高精度测量方法获得）来计算GPS接收机的位置误差，并将这一即时误差值纳入位置计算中，以得到更为准确的位置信息。通过这种方式，DGPS能够有效地改善GPS的定位精度，为用户提供更可靠、更精确的位置服务。

具体操作上，一般会在一个基准站上安置一台GPS接收机进行观测。利用基准站已知的精确坐标，计算出基准站到卫星的实际距离。然后，将这个距离与由于误差存在导致的基准站接收机观测到的伪距离进行比较，得出一个差值，即改正值。这个改正值会由基准站实时地发送出去。与此同时，用户的接收机在进行GPS观测的同时，也会接收到这个来自基准站的改正数。通过对接收到的改正数进行应用，用户的接收机可以修正其定位结果，从而消除公共误差。虽然差分技术可以完全消除某些类型的误差，例如卫星钟误差、星历误差等，但对于其他类型的误差，例如对流层和电离层的延迟误差，只能消除其中的大部分，而无法完全消除。然而，由于这种技术可以显著提高定位的精度，因此得到了广泛的应用。

根据差分GPS基准站发送的信息方式，差分GPS定位可以分为位置差分、伪距差分和相位差分三种。这三类差分方式的工作原理大体相似，都是基准站发送改正数，用户站接收并应用这些改正数来修正其测量结果，从而得到更精确的定位结果。它们的主要区别在于发送的改正数的具体内容不同，这也导致了它们的差分定位精度有所差异。

DGPS技术的应用可以大幅度提升GPS的定位精度，将其从标准GPS系统在水平方向上的5-10米定位精度提升至亚米级甚至厘米级，从而在航空、航海、测量和地理信息系统（GIS）等需要高精度定位的领域发挥巨大作用。

然而，DGPS技术的实施并非易事，它面临着一些实际的限制和挑战。要实现高精度的位置信息获取，必须在移动站和基准站之间建立实时的通信连接，这可能需要额外的专门通信链路，从而增加了系统的复杂性和实施成本。同时，DGPS技术的性能也会受到如信号遮挡、多路径效应、大气延迟等多种因素的影响，这些因素都有可能导致位置信息的误差增大或者无法获取。因此，在使用DGPS技术时，我们需要充分考虑其技术的适用性和限制条件。

尽管如此，差分技术还是具有与其他定位技术结合使用的巨大潜力，可以形成更为强大的混合定位系统。例如，将DGPS与惯性导航系统（INS）进行融合，使用符合滤波器创建出一种高精度的DGPS/INS的混合定位系统。这种系统不仅能享受到DGPS提供的高精度位置信息，同时还能利用INS提供的连续导航能力，从而实现更高精度的定位和导航。

GPS全球卫星定位系统由三部分组成：空间部分—GPS星座；地面控制部分—地面监控系统；用户设备部分—GPS信号接收机。

空间部分

GPS的空间段由24颗卫星构成，其中包括21颗工作卫星和3颗备用卫星。它们位于距离地球表面20200公里的高空，并均匀分布在六个轨道面上，每个轨道面上有四颗卫星。这些卫星的轨道倾角为55度。由于这种特定的分布方式，使得在地球上任何地方、任何时刻都能够观察到至少四颗以上的卫星，并从中获取预存的导航信息，使得其提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS卫星生成两种电码：一种是C/A码（Coarse/Acquisition Code，频率为11023MHz），另一种是P码（Procise Code，频率为10123MHz）。由于P码的频率较高，具有抗干扰性强和定位精度高的特点，因此被美国军方所控制，并加密处理，通常不对公众开放，主要服务于美国军方。而C/A码在经过人为降低精度处理后，主要提供给民间使用。

地面控制部分

地面控制部分包括一个主控站、五个全球监测站和三个地面控制站。每个监测站都配备了高精度的钟和能够接收到所有可见卫星信号的接收机。监测站负责收集卫星观测数据，包括电离层和气象数据，并进行初步处理，然后将数据传输给主控站。主控站从各个监测站收集跟踪数据，通过计算确定卫星的轨道和时钟参数，并将这些结果发送给三个地面控制站。当每颗卫星运行至地面控制站上空时，地面控制站将导航数据和主控站的指令注入到卫星中。这种注入过程每天对每颗GPS卫星进行一次，并在卫星离开注入站的作用范围之前完成最后一次注入。如果某个地面控制站发生故障，卫星中预存的导航信息仍然可以维持一段时间，但由于各种因素的影响，导航的精度会逐渐降低。

用户设备部分

GPS信号接收机的核心任务是捕获并跟踪由特定卫星高度截止角筛选出的待测卫星信号。通过对接收到的GPS信号进行转换、放大和处理，接收机可以测量出信号从卫星到接收机天线的传播时间，解读出由GPS卫星发送的导航电文，并实时计算出观测站的三维位置、速度和时间。在静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪卫星过程中保持固定。它能高精度地测量GPS信号的传播时间，并结合已知的GPS卫星轨道位置，来解算出接收机天线所在的三维坐标。与此不同，动态定位则是用GPS接收机来确定一个运动物体的实时轨迹。这里的运动物体被称为载体，可以是航行中的船只、空中的飞机或行驶中的车辆等。在这些情况下，载体上的GPS接收机天线会在跟踪卫星的过程中相对于地球移动，实时测量出运动载体的状态参数，包括其瞬时的三维位置和速度。完整的GPS用户设备包括接收机硬件、机内软件以及用于处理GPS数据的后处理软件包。从结构上看，GPS接收机主要由天线单元和接收单元两部分组成。对于测地型接收机，这两个单元通常是分开的，以便在观测时将天线安置在测站，而将接收单元放置在测站附近的适当位置，两者通过电缆连接。然而，也有一些设计将天线和接收单元整合在一起，方便在测站点上直接安置。GPS接收机通常使用蓄电池作为电源，并采用机内机外两种DC电源配置。设置机内电池是为了在更换外部电池时不中断连续观测。在使用外部电池的过程中，机内电池会自动充电。关机后，机内电池继续为RAM存储器供电，以确保数据不会丢失。

有许多方式可以增强全球定位系统（GPS），以满足用户在定位、导航和定时（PNT）方面的特殊需求。这些增强措施旨在显著提升GPS的性能，包括提高定位、导航和定时的准确性、可靠性、完整性和可用性。这些增强项包括但不限于以下方面：

全国范围差分GPS系统（NDGPS）

全国范围差分GPS系统（NDGPS）是由联邦铁路管理局、美国海岸警卫队和联邦公路管理局共同运营和维护的地面增强系统。其主要目标是提供更高精度和完整性的GPS服务，服务覆盖陆地和海上用户。目前，该系统正在进行现代化升级，其中包括开发高精度NDGPS系统（HA-NDGPS）。这项现代化升级旨在提高系统性能，以实现整个覆盖区域内10至15厘米的定位精度。NDGPS遵循国际标准构建，因此已被全球五十多个国家采纳，并在类似标准的基础上应用。

广域增强系统（WAAS）

广域增强系统（WAAS）是美国联邦航空局（FAA）研发和运营的一项空中导航系统，WAAS最初旨在为飞行器在各个飞行阶段提供导航服务，但现在其应用已经扩展到多个领域。WAAS系统通过遍布北美和夏威夷的地面参考站采集GPS信号，经过差分改正后，通过地球同步卫星传送给地面用户，以提供更精确的定位和导航服务。这项系统在20世纪90年代开始研发，到2003年已覆盖美国95%的领土，提供水平位置动态定位精度为3至5米，垂直位置精度为3至7米的性能，而且无需额外的导航设备。WAAS系统的引入改善了GPS的精度、完好性和可用性，为多个应用领域提供了更为出色的导航性能。美国联邦航空局遵循国际民航组织（ICAO）的标准，并积极与其他国家合作，以提供出色的服务，覆盖任何区域的所有用户。此外，全球范围内还存在其他符合ICAO标准的空间增强系统，如欧洲的欧洲对地静止卫星导航重叠系统（EGNOS）、印度的GPS和地球导航增强系统（GAGAN），以及日本的多功能传送卫星（MTSAT）卫星增强系统（MSAS）。这些国际系统都以GPS技术为核心。

持续运行参照站（CORS）

持续运行参照站（CORS）是一个由美国国家海洋大气管理局（NOAA）管理的GPS数据收集和分发系统。它的主要功能是提供精确的定位服务和大气模型的应用，主要通过对GPS信号的后期处理实现。CORS网络的原理基于一系列分布在全国的固定GPS接收站，这些站点持续收集来自GPS卫星的信号。通过分析这些数据，CORS能够提供高精度的地理空间信息，这对于地理测量、科学研究、建筑和其他多种专业领域至关重要。这些数据通过后期处理提供，可以用于精确的地理定位和大气数据分析，从而支持各种应用的需求。

全球差分GPS（GDGPS）

GDGPS（全球差分GPS系统）是由喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory, JPL）开发的一个高精度GPS增强系统。该系统旨在支持美国航空航天局（NASA）的科学任务，特别是在实时定位、定时和轨道确定方面的需求。GDGPS通过提供精确的GPS信号校正，极大地提高了定位的精度和可靠性，这对于NASA的各种科学和探索任务至关重要。NASA未来的计划中包括利用跟踪和数据转播卫星系统（Tracking and Data Relay Satellite System, TDRSS）来发布实时的差分改正信息。这将通过一个名为TDRSS增强服务卫星（TASS）的系统实现。TASS的目标是通过TDRSS网络提供全球覆盖，从而使得在任何地点的用户都能接收到实时的差分GPS改正信息，进一步提升定位精度。

国际GNSS服务（igs）

国际GNSS服务（IGS）是一个由80个国家200个组织共同维护的全球性网络，包括350个GPS监测站。其主要任务是按照全球导航卫星系统（GNSS）的标准提供高质量的数据和产品，支持地球科学、多学科应用和教育的研究，同时推动其他社会有益的应用。IGS网络的高效数据传输能力是其显著特点之一，大约有100个监控站能够在数据收集后的一小时内广播他们的跟踪数据。这种快速的数据传输对于需要实时或近实时数据的科学研究和应用至关重要，如地震监测、气候变化研究和精密导航等。IGS通过提供精确的卫星轨道、全球GNSS网络站点的位置和速度、极移和地球自转等数据产品，为全球研究和应用提供了坚实的基础。IGS的工作对于建立国际地球参考框架（ITRF）、监测固体地球变形、监测地球自转、监测水圈变化（地平线、冰川等）以及卫星轨道测定等方面都具有重要意义。

GPS技术在民用领域的应用极为广泛，涉及农业、航空、环境监测、城市工程、公路勘查、野生动物保护、突发事件响应、旅游和物流等众多方面。在农业中，它与GIS结合，推进了精准农业的实践，提高了土壤抽样、拖拉机导航和作物监测的精确度。航空领域里，GPS提供了精确的导航和定位服务，增强了飞行的安全性和效率。环境监测中，GPS被用于动物跟踪、森林资源评估、气象研究等领域，提高了数据收集的效率和准确性。在城市工程测量方面，GPS的精密单点定位技术提供了高效且精确的解决方案，改进了测量的准确性和效率。公路交通勘查领域中，基于GIS和GPS的智能系统提升了公路勘查和设计的效率和精度。同时，随着GPS项圈技术在野生动物保护和管理中的应用的发展，GPS也促进了生态研究和保护策略方面的进步。在医疗、火警、交通事故等突发事件处理中，GPS与GIS的结合起到了关键的作用，提高了应急响应的效率。此外，旅游领域中，GPS技术的应用促进了旅游管理和规划的发展，为游客提供了精确的地理定位服务，增强了旅游体验。在物流行业里，GPS技术的应用极大地提高了物流管理的效率和准确性，使得物流公司能够实时追踪车辆状态和客户位置信息，实现快速合理的车辆调度。这些应用不仅提高了车辆利用率和运营效率，还降低了运营成本，增强了物流配送的适应能力和应变能力。

在军事领域中，全球定位系统（GPS）的应用已经成为当代战争不可或缺的部分。GPS在军事上的应用包括提供精确的导航信息、定位目标、同步作战行动以及定位人员。它现在是美国军队的核心导航系统，用于飞机、舰船、车辆和人员。GPS改变了武器定位、指挥控制、无人系统的引导以及战场上的物资配送方式。这些技术的应用彻底改变了战争的性质和战斗方式​​。例如，在伊拉克战争中，美军使用装有GPS接收机的“斯拉姆”空对地导弹和JDAM精确制导炸弹，对敌方目标进行了精确打击，有效摧毁了敌方的重要设施，降低了平民伤亡。这种精确打击能力，使得作战更加高效，同时也减少了对平民和友军的误伤。其次，GPS的指挥监控功能，使得作战指挥更加灵活和高效。通过GPS系统，指挥官可以实时掌握战场情况，对部队进行精确调度和指挥。在科索沃战争中，一名被击落的F-117飞行员得以快速定位和救援，就得益于GPS系统的精确定位功能。这使得救援行动更加迅速有效，提高了生还率。GPS还可以与其他系统进行联合使用，如卫星通信系统和卫星遥感系统等，提高了移动目标的动态监控能力。在战场上，这种动态监控能力可以帮助指挥官更好地把握战场态势，做出正确的决策。

GPS的定时功能在现代社会扮演着至关重要的角色。它提供的精确时间数据对通信系统、金融交易、电力网和科学研究等各个领域都具有广泛而深远的影响。在通信系统中，GPS的时钟同步确保了无线通信网络的高效运行，涵盖时间同步和载波同步，从而保障了数据传输的准确性。这一应用在各类通信网络中都非常关键，尤其是在无线网络，如WiMAX等，以及新兴技术如多输入多输出（MIMO）系统。金融交易领域越来越依赖GPS提供的高度精确的时间戳，以处理庞大的交易量和应对监管要求。金融公司使用GPS作为时间源，确保交易时间的准确性和一致性，以满足现代金融市场的需求，包括快速高频交易和监管要求，如欧洲的MiFID II指令。在电力系统方面，GPS应用用于测量和控制发电的时间和频率误差，提高了电网的长期精度，并协调了不同电力设施的运行。特别是在相量测量方面，GPS时间的应用对于监测电网状态、频率和相位测量至关重要，这对于电力网络的稳定性和未来控制策略的发展起到重要作用。

全球定位系统（GPS）未来的技术发展和应用呈现出显著的创新和扩展趋势。GPS III系统的推出是这一趋势的关键里程碑，该系统预计在2023年全面投入运营。GPS III将显著延长卫星寿命至15年，提高定位精度至1至3米，并强化信号以抵御干扰。此外，通过引入L1C民用信号，GPS III增强了与其他国际导航卫星系统的兼容性，如欧洲的伽利略系统、日本的QZSS和中国的北斗系统。展望未来，洛克希德·马丁公司已着手开发22颗GPS III后续卫星（GPS IIIF），预计从2026年开始发射。这些新型卫星将搭载全数字化导航和搜救载荷，以及用于军事支援的第二天线，从而增强在特定区域的导航和支援能力。GPS技术的发展也面临着挑战。主要挑战包括提升系统的安全性和可靠性，特别是针对信号干扰的防御和系统保护。这些挑战要求不断的技术创新和政策支持，以确保GPS系统在全球范围内的高效运行和广泛应用​​。

俄罗斯GLONASS系统包括卫星星座、地面支持系统和用户设备。星座由24颗工作星和3颗备份星组成，分布在3个轨道平面上，每个轨道平面有8颗卫星。地面支持系统包括控制中心、同步器、遥测遥控站和导航控制设备，主要位于俄罗斯境内。用户设备为接收机，能接收卫星信号并计算位置、速度信息。GLONASS主要用于导航定位，采用频分多址方式，卫星使用精密铯钟，设计寿命5年。目前，仍有10颗GLONASS卫星正在运行。为提高系统性能和拓展民用市场，俄政府计划用4年时间更新为GLONASS-M系统，包括改进地面设施、延长卫星寿命和提高定位精度。融合后的GLONASS系统将具备更高的性能和市场竞争力，为用户提供更优质的服务。

北斗导航定位系统由空间星座、地面控制中心系统和用户终端三部分构成。空间星座包括五颗静止轨道卫星和三十颗非静止轨道卫星，用于提供不同类型的服务。这些卫星分布在高空36000公里的轨道上，负责中继任务，确保导航和定位准确稳定。每颗卫星重约980kg，设计寿命不少于8年。地面控制中心系统由主控站、测轨站等组成，负责卫星轨道和姿态的精确测定和调整。用户设备分为普通型、通信型、授时型等多种类型，适用于不同的应用环境和功能。这些用户机能够接收和发送定位及通信信息，实现与中心站和其他用户终端的交互通信，提供精确的定位和时间同步服务。

欧洲伽利略计划是一个全球卫星导航系统，旨在提供独立于美国GPS和俄罗斯GLONASS的导航解决方案。该系统包括30颗中高度圆轨道卫星和综合地面控制系统，预计于2007年底完成建设并于2008年投入使用。星座系统由27颗工作卫星和3颗候补卫星组成，分布在3个轨道平面上，确保全球覆盖率和精确定位。地面控制系统负责卫星系统的监控和管理，用户系统包括多用途接收机，与GPS和GLONASS兼容，为用户提供准确、可靠的定位服务。伽利略计划标志着欧洲在全球卫星导航技术领域的重要进展。