美国于20世纪60年代末期开始研究时间测距卫星导航方法，并在1978年开始发射“导航星”，建造GPS系统。1993年6月，完成GPS星座的部署任务，美国GPS系统空间卫星网由18颗导航卫星和3颗备用星组成。18颗卫星配置在6条等间隔的轨道上，每条轨道上分布3颗，采用平均高度约26 700 km，倾角55°，运行周期12 h的圆形轨道，每颗卫星能发射多个波束到地面，形成通讯“蜂窝区”，使全球上任何地点的用户在任何时间有5～8颗卫星对着你，能提供连续、实时的全球导航。
每颗导航星上有4台原子钟，其中铷原子钟用于商业用户（频率稳定度优于5310），铯原子钟用于军方（频率稳定度优于10），进行精确定时。
GPS星不断地向地面或空中用户发射导航信号和导航电文信号，它用精确码（P码，频率10．23 MHz）和粗略码（C/A码，频率1．023 MHz）调制后在载波上发射出去，C/A码民用，P码有密码保护，只供军用。
GPS系统定位精度约10 m（军用）和100 m（民用），测速精度优于0．1 m/s，定时精度1 μs。 1995年4月，美国宣布向全世界商业用户开放民用部分；1996年3月宣布，在未来10年内商业用户逐步享有与美军方同样的定位精度。
● 地面测控站网和用户设备
地面测控站网，包括一个主控站，一个上行数据传输站和4个测控站，地面测控站用于跟踪和监视全部导航星，把接收到的数据汇集到主控站进行处理，准确计算并预报导航星的运行轨道和时间；上行数据传输站，应用微波段（2 200 MHz~2 300 MHz）跟踪遥测的上行线路，把有关数据传输到某个卫星的导航处理器，对卫星发射信号进行管理，特别对导航星原子钟的精确同步进行校正，建立GPS时确保定位的精度；用户设备种类繁多，但均包括天线、接收机、数据处理装置和控制/显示装置等部分。由于卫星上高性能、大功率的发射系统，用户的接收机在任何时候任意4颗导航星的组合中获得清晰的信号，通过实时处理，即可显示用户自身的位置、速度和时间信息，据报导，GG24接收机的粗定位精度达10 m，精定位精度达0．9m。
● 应用
应用领域有交通管理、测量、海洋调查、海洋捕捞、辅助农业和林业的大面积作业（除虫、播种）、资源开发等，今后世界各国的飞机、船舶、火车、汽车、便携式个人电脑、手持电话、都将安装GPS接收机，将使GPS技术深入到社会生活的各个领域，它的巨大经济效益正日渐显现。
南京大学善邻信息技术有限公司已开发出北京、江苏、上海、广州、深圳、香港等地的卫星车载导航系统，并走向应用。
车载GPS定位系统由两部分组成，一部分是由计算机、打印设备、电台组成的实时监控中心，另一部分是由接收机、处理器、调制解调器、发射机组成的移动终端，两部分用无线电通信联系，监控中心通信电台既接收车辆的定位信息，并在数字化电子地图上显示，又将监控中心的命令发送给受监控的车辆实施管理和指挥。
“出车前，只要指定目的地和必经地点，车载定位系统就能帮助你选择一条最佳路线，既省钱、又省时、又能绕开交通堵塞的地方；不熟悉道路，它随时告诉你怎样走，在离交叉路口300 m处显示路口示意图，并用语言提示你往哪拐；你去某单位，不知道地点，用单位名称或电话号码即可确定电子地图上的位置；没有
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汽油了，它会告诉你最近的加油站在哪；沿途它可提示经过的商店，风景名胜??”显示了车载定位系统的先进功能。
军用领域可为飞机、舰船、坦克、导弹作实时导航和制导，为目标提供精确定位，提高中、远程武器的命中率，美国国防部认为，研制GPS系统虽耗资130多亿美元，历时20年，但在20世纪90年代初期海湾战争中的收益已超过全部投资。据有关资料报导，在海湾战争的沙漠风暴行动中，美国和联合国军队，大约使用了7 000台GPS接收机，帮助空军飞行员与前线指挥机构保持联系，在沙漠中寻找道路，并成为战场上精确指挥控制、 中远程精确打击和精确兵力投送的关键设备。
（朱荣华等《现代技术中的物理学》第297页至第298页，高等教育出版社，2003年） （三）实验参考资料
1．电磁打点计时器工作电压为什么要从交流4 V开始？
电磁打点计时器工作电源为交流6 V、50 Hz。实测工作中电源为6～10 V均可工作，为什么电磁打点计时器在实验中工作电压要从交流4 V开始？可从两方面说明。
打点计时器的制造过程存在着分散性。如振动钢片的固有振动频率、电磁线圈的电感量、永久磁体的磁性等几方面，不同计时器之间存在着差异，安装过程中的位置以及振动片振动大小的调整也会存在差异，这就导致不同打点计时器之间达到正常工作时所需的工作电压有一定差异，有些计时器在4 V时即可正常打点，而有些计时器却要达到6 V时工作才较正常。
从学生电源交流输出电压看，面板上标志的交流电压数只是一个大概的数值，与实际电压值有一定差别，如果要知道电压的准确值，可用交流电压表测量。
以J1202型学生电源为例。交流输出电压标称值为2 V～14 V，每2 V一挡，共七挡。空载最高输出电压≤17 V。各挡满载时的工作电流额定为2 A。各挡满载输出电压U≤U标+1 V。
交流4 V挡的满载电压最高可达5 V，6 V挡满载电压最高可达7 V。而打点计时器工作时的电流为80～130 mA，只是电源满载电流的1／20～1／15。
所以打点计时器工作时的实际电压值接近空载电压。所以选择4 V挡实际上的工作电压在5 V左右，完全可以满足电压条件。
如果打点计时器工作电压过高，例如某一打点计时器能在4 V电压下很好地打点，若事实上要在6 V挡下工作（实际工作电压可能达7 V以上）则振动片振动过大，振针由于这种情况会出现打“双点”现象，带来测量误差。
电火花计时器电源直接采用220 V交流电源，不存在机械振动问题。工作时由高压放电产生电火花，故仪器的一致性较高于电磁打点计时器。电火花计时器的分散性表现在输出脉冲电流的大小为150～300 mA之间。脉冲电压高达30 kV，脉冲强度可击穿8 mm空气间隙。即使不同仪器的指标并不完全一致，但是并不需调整电源电压，这一点较电磁打点计时器显得方便。
（北京出版社出版《中学物理仪器》学生电源。J0203型电磁打点计时器说明书。BJ-DS-F-20型电火花计时器说明书。）
2．数字计时器
测量时，要将安装在气垫导轨侧面的光电门连接到数字计时器上，并且在运动的滑块上安装挡光片。如图1-7所示，Z为光电门的立柱，A为光源（红外发光管或微型灯泡），B为光电三极管。通常情况下，A发出的光束能够被B接收。挡光片运动时会从A、B之间经过而遮挡光束。
图1－7
计时器有两种工作方式。第一种是测量一个光电门的光束被遮挡的时间Δt，配合条形挡光片D使用。这段时间内，滑块的位移等于挡光片的宽度Δx ，于是就可以求出滑块运动的平均速度。
图1－8
第二种是测量前后两次挡光的间隔时间。可以按照图1-8设置两个光电门G1、G2 ，当条形挡光片的前沿a对G1 挡光的时刻开始计时，到它对G2 挡光的时刻停止计时，显示的时间间隔Δt是与G1 到G2 的距离Δx这一段位移对应的，从而可以计算出平均速度。也可以按照图1-9只设置一个光电门G，但是在滑块上安装U形挡光片，挡光片的两个前沿a1、a2 的距离为Δx 。当a1对G挡光的时刻开始计时，到a2对G挡光的时刻停止计时，显示出的时间间隔Δt是与位移Δx对应的，也可以由此计算出平均速度。
图1－9
数字计时器能够测量出小到1 ms或0．1 ms这么短的时间间隔，因而可以测量出比较精确的速度值。 3．位移传感器
位移传感器测运动物体的位移、速度、加速度，它由三部分组成：位移传感器、数据采集器和计算机组成。目前在中学中使用的位移传感器有两种形式。一种是超声波脉冲发射和接收装置是分离的，另一种是“雷
达”式的超声波脉冲的发射与接收由一个装置实现。两者测位移的方式上略有区别。超声波脉冲发射与接收装置分开，在发射盒内单独设有电源、超声脉冲发生的振荡电路、超声脉冲发射器、红外脉冲发生与发射电路。工作时将发射系统（A盒）固定在运动物体上，A盒同时向接收装置B盒发射一个红外脉冲与一个超声波脉冲，红外脉冲是作为超声脉冲发出的计时起点，接收器B盒接收到红外脉冲开始计时，超声波脉冲到达时停止计时，再根据计时的时间差和声速计算出物体运动位移。忽略了红外线传播的时间。接收传感器B盒将接收到脉冲数与各时间差送入数据采集器，送入计算机，由专门设计的软件处理这些数据，并描绘出位移—时间图象。
位移传感器只能用于测定运动物体的位移（距离），测物体运动的速度和加速度是通过计算机软件实现的。根据位移图线各时刻的斜率，即该时刻的瞬时速度再描绘出不同时刻的速度—时间图象，并能显示出某时刻瞬时速度值，某段时间内平均速度值。测量物体运动时的加速度则是根据速度图象在不同时刻的斜率得出，并能画出加速度与时间的图象，求物体运动的位移、速度、加速度的值，时间段可以任意选取。
第二种位移传感器将超声波脉冲的发射与接收由一个超声脉冲探头完成，在运动物体上安装反射板，将超声脉冲反射回来由传感器接收。传感器不随物体移动，也不需要发射红外脉冲作为计时起点。其时间由超声脉冲发出开始计时，至接收到反射脉冲时停止计时，以其时间的一半为计算位移的时间。装置简单，但由于反射回来的超声波脉冲强度大为减弱，所以对超声波脉冲探头的灵敏度要求高，其成本也比分离式位移传感器高得多。
图1－10
示例1：如图1-10所示，近似匀速直线运动的位移—时间图象。
图1－11
示例2：如图1-11所示，加速直线运动的位移—时间图象和速度—时间图象（在2．5～5．0 s这一时间段，可近似看成匀加速运动）。
4．实验教学参考书
（1）《高中物理实验大全》，王兴乃主编，电子工业出版社出版。
（2）《物理──国外中学实验》联合国教科文组织提供，续佩君、郑鹉、王士平译，首都师范大学出版社出版。
（3）《高中物理探究性趣味实验》，赵力红、臧文彧编著，浙江大学出版社出版。 1．注重获取知识的过程，培养学生的科学思维和研究方法
（1）在教科书中，首先引导学生实际探究某一物体在运动中速度和时间的关系，获取数据，画出图象，进而认识到这个物体的速度—时间图象是一条倾斜的直线。
接下来引导学生讨论，这样的v-t图象表示的是什么运动？根据学生在数学课中对线性函数的了解，结
合加速度的定义式 可以得出：这是一种加速度不随时间（时间间隔）改变的匀变速直线运动。
因此，如果把物体速度为v0的时刻t0作为计时开始时刻，即t0=0，把此后任一时刻t的速度记为v，则有