全球定位系统
(一)全球定位系统发展概况
在卫星定位系统出现之前，无线导航系统是远距离导航定位最重要的工具。无线电导航系统的缺点是工作面积小，电波传播易受大气影响，定位精度不高。
美国的中天系统，1958年研制，1964年正式投入使用，是世界上最早的卫星定位系统。由于该系统卫星数量少，不超过6颗，运行高度低(平均1000 km)，从地面站观测到的卫星间隔时间长(平均1.5小时)，不能提供连续实时三维导航，精度较低。
全球定位系统(GPS)是美国国防部从65438年到0973年制定的计划。70年代开发，历时20年，65438年至0994年全面建成。是新一代卫星导航定位系统，具备海陆空全方位实时三维导航定位能力。
GPS网络由24颗卫星组成。这些卫星不间断地向地面站发回准确的时间信息和位置信息。GPS接收机利用GPS卫星发出的信号来确定卫星在空间中的位置，并根据无线电波的传输时间来计算它们之间的距离。在计算出至少3 ~ 4颗卫星的相对位置之后，GPS接收机可以使用三角法来计算自己的位置。每颗GPS卫星都有四个高精度原子钟，还有一个实时更新的数据库，记录着其他卫星的当前位置和轨迹。当GPS接收器确定一颗卫星的位置时，它可以下载所有其他卫星的位置信息，这有助于它更快地获得其他卫星的信息。
目前，全球有几个GPS系统在运行，包括美国和俄罗斯的GLONASS、欧洲航天局的伽利略和中国的北斗系统。
(2)美国GPS系统
美国的GPS主要由三部分组成——空间部分、地面站和用户。空间部分是由24颗卫星组成的全球卫星网络，这些卫星位于距离地面约2万公里的圆形轨道上。轨道平面的倾角为63°。系统中，* *有三条轨道，上升点与交点之差为120。每条轨道上均匀分布8颗卫星，相邻两条轨道上的卫星相距30°。卫星的姿态采用三轴稳定方式，以保证卫星上导航天线的辐射口始终对准地面。卫星上工作频率为2200 ~ 2300 MHz的遥测发射机向地面站组发送卫星的各种遥测数据。卫星上的接收机接收地面站发送给卫星的频率为1750 ~ 1850 MHz的导航信息，包括时钟修正参数、大气修正参数、卫星星座和所有24颗卫星的历书。卫星接收器也接收来自地面站组的控制指令。
卫星上装有精密原子钟，稳定度为1×10-13。每颗卫星的原子钟彼此同步，并与地面站组的原子钟同步。这样就建立了GPS系统的精确时间系统，称为GPS时间。发送到地面的星历表基于GPS时间并按顺序发送。发射双频是为了校正电离层引起的额外延迟。
目前GPS系统提供的定位精度优于10米，为了得到更高的定位精度，通常在参考站上放置一个GPS接收机，采用差分GPS技术进行观测。根据已知的参考站精确坐标，计算出参考站到卫星的距离修正数，参考站实时发送这个数据。在进行GPS观测的同时，用户接收机也接收到参考站发送的校正数，并对其定位结果进行校正，从而提高定位精度。
③俄国的GLONASS
GLONASS是一种类似于美国GPS系统的卫星定位系统，由前苏联在20世纪80年代初建造。也由卫星星座、地面测控站和用户设备三部分组成。它现在由俄罗斯航天局管理。GLONASS系统的定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m。
GLONASS卫星由质子号运载火箭一箭三星送入轨道。卫星采用三轴稳定系统，质量1400kg，设计轨道寿命5年。所有GLONASS卫星都使用精确的铯原子钟作为频率基准。第一颗GLONASS卫星于2002年6月65日发射。
GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在三个近似圆形的轨道平面上，每个轨道平面上有8颗卫星，轨道高度为19100 km，运行周期为11小时15分钟，轨道倾角为64.8°。
与美国的GPS系统不同，GLONASS系统采用频分多址(FDMA)来根据载波频率区分不同的卫星。GPS是码分多址(CDMA)，根据调制码区分卫星。每颗GLONASS卫星发射的两个载波的频率分别为L 1 = 1602+0.5625K(MHz)和L2 = 1246+0.4375k (MHz)，其中K (L ~ 24)为每颗卫星的频率数，所有GPS卫星的载波频率相同。
为了进一步提高GLONASS系统的定位能力，开拓广阔的民用市场，俄国采取了与美国GPS系统不同的政策，即采取军民两用、不加密的开放政策。计划用4年时间更新为GLONASS-M系统，完善部分地面测控站设施，延长卫星在轨寿命至8年，实现系统高定位精度，位置精度提高至10 ~ 15米，授时精度提高至20 ~ 30纳秒，速度精度达到0.01米/秒。
GLONASS系统主要用于导航和定位。当然，就像GPS系统一样，它也可以广泛应用于各种级别和类型的测量应用、GIS应用和时频应用。
㈣欧洲航天局的伽利略系统
2002年3月底，欧盟正式批准发射伽利略全球卫星导航定位系统。按照计划，2004年发射系统第一颗卫星，2008年发射30颗卫星，建成整个导航系统网络。从2002年到2005年，第一阶段的投资达到11亿欧元，其中一半由欧盟承担，另一半由欧洲航天局承担。
伽利略是欧洲自主独立的全球多模卫星定位导航系统，提供高精度、高可靠性的定位服务，将实现完全非军事的控制和管理。伽利略可以在多个系统中与美国的GPS和俄国的GLONASS合作。未来任何用户都可以采集各个系统的数据或各个系统数据的组合，以满足定位导航的要求。伽利略可以分发米级定位精度的实时信息，这是现有卫星导航系统所不具备的。
伽利略由三部分组成:空间部分、地面部分和用户。空间部分由30颗MEO卫星组成，分布在三个轨道上，每个轨道平面上有10颗卫星，9颗正常运行，1颗备用，倾角为56°。地面部分包括全球地面控制部分、全球地面任务部分、全球区域网、导航管理中心、地面支持设施和地面管理机构。客户端主要是用户接收器及其等效产品。伽利略将与GPS和GLONASS导航信号形成复合卫星导航系统，因此用户接收机将是多用途和兼容的接收机。
除了导航、定位、授时等基本服务外，伽利略还提供搜救(SAR功能)等特殊服务。该系统可用于铁路安全运行调度、海上运输系统、陆上车队运输调度、精准农业和飞机导航着陆系统。
(E)中国的北斗系统
我国GPS技术的研究始于20世纪80年代，进入90年代，GPS技术的研究、开发和应用取得了长足的进步。
1983年，我国科学家提出了利用两颗同步定点卫星进行定位导航的设想。这个系统被称为“双星定位系统”。1993年，我国进一步开展了“双星定位系统”实验，项目于1994年正式立项。2003年，我国成功将第三颗北斗一号导航定位卫星送入太空，其准确入轨标志着我国成功建立了独立的卫星导航系统——第一代北斗卫星导航定位系统。
北斗卫星导航系统由空间卫星、地面控制中心站和用户终端三部分组成。空间部分北斗一号由两颗工作卫星和一颗备份卫星组成。备份卫星于2003年发射，两颗定位卫星分别于2000年6月31日和2月21日发射。
用户使用北斗系统定位。首先，他们向地面中心站发出请求，然后地面中心站发出信号，信号由两颗卫星反射后传送给用户。地面中心站可以通过计算两种方式所需的时间来完成定位。第一代北斗系统不同于GPS系统，所有用户位置的计算不是在卫星上进行，而是在地面中心站进行。因此，地面中心站可以保留所有北斗用户的位置和时间信息，并负责整个系统的监控和管理。
北斗系统采用主动定位，而GPS和GLONASS是被动定位，这是它们的本质区别。所谓主动定位是指用户需要通过地面中心站联系导航定位卫星，被动定位是指用户直接联系卫星来确定自己的位置。GPS和GLONASS的主要功能是定位和定时。应该说，在用户获取这两项服务的便捷性和准确性上，北斗系统还是处于劣势的。但是北斗系统比这两个全球定位系统多了一个通信功能。2010年前，我国集无源定位和有源定位于一体的导航定位系统——第二代北斗将建成，届时，国民经济的各个领域都将从中获得更大的利益。
土壤学研究中有大量的野外工作。在GPS进入民用阶段之前，指南针、气压计、米尺等设备用于野外定位。这些方法定位速度慢，精度差，重复性低，不利于长期定位研究。GPS的出现克服了这些缺点，不仅可以快速准确定位，还可以结合GIS、RS直接生成新的数据资源，动态快速更新土壤资源数据和土地利用准实时状况。