在几何中两根坐标轴（x轴和y轴）可以确定一个平面内的任意一点；三根坐标轴（x轴，y轴和z轴）就能确定空间内任意一点的位置，所以我们只要建立一个三维坐标系，然后求得三条轴线的长度就能确定所在点的位置了。怎么样确定三条轴线长度呢？这就需要借助卫星的帮助。在地球轨道上有24颗定位卫星。这些卫星就像广播电台一样全天候24 h不间断地向地面发射含一定代码的电磁波。GPS能自动接收并且发送与它相同的电磁波编码。由于从卫星传递电磁波到接收机需要一定时间，所以这两套编码的相位是不同步的。只要比较这两种编码的相位差，就能计算出接收编码的时间差，也就是从卫星发射电磁波传递到GPS接受机上所需要的时间。我们知道电磁波的传播速度是每秒30万km，有了时间和速度，计算机就能计算出从接收机到卫星之间的距离。由于卫星的位置是确定的，所以我们只要确定从GPS接收机到3颗卫星的距离就如同建立了一个三维坐标系，那么就可以确定GPS接收机所在的空间位置。这个位置不光是地球的经纬度，也包括高度，所以GPS不但可以确定精确的平面位置，也能确定海拔高度。有了经纬度，我们就能在地图上找到所在的准确位置。当然，这一切都是由计算机完成的，位置确定以后，计算机就会在电子地图上显示出自己的所在位置，同时还能计算出海拔高度，运动速度，加速度等重要参数。卫星向地面接收机发射带有测距码的载波信号，卫星的轨道是已知的（x，y，z），那么地面点在某一时刻通过对接收到的卫星信号进行分析，就可以得到卫星到地面点的距离，那么只需要3颗卫星就可以定出地面点的位置，但是接收机的时钟是不准确的，所以需要同时接收4颗卫星的信号（四维）才能准确地交会定出地面点的位置。由于信号在传播过程中受到电离层、对流层、多路径和相对论效应等多方面的影响，以及美国针对民用GPS的信号干扰政策，定位精度一直很难达到理想的情况。为了解决这些不利影响，定位技术的发展正经历4代的更迭（图2-1）。总体说来，GPS定位可以分为相对定位和绝对定位。绝对定位也称单点定位，即利用GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值，直接确定用户接收机天线在坐标系中相对于坐标原点（地球质心）的绝对位置。相对定位也称差分GPS定位，即至少用2台GPS接收机，同步观测相同的GPS卫星，确定2台接收机天线之间的相对位置，相对定位的精度较高。
图2-1 定位技术的发展
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