全球定位系統

全球定位系統提供準確的定位、測速和高精度的標準時間。全球定位系統可滿足位於全球地面任何一處或近地空間的軍事使用者連續且精確地確定三維位置、三維運動和時間的需求。該系統包括太空中的31顆GPS人造衛星；地面上1個主控站、3個數據注入站和5個監測站，及作為使用者端的GPS軍用接收機器、智慧手機等。最少只需4個衛星，就能迅速確定使用者端在地球上所處的位置及海拔高度；所能接收到的衛星訊號數越多，解碼出來的位置就越精確。同時因為是利用時間差定位，故也能精準校正時間戳記。GPS系統擁有如下多種優點：使用低頻訊號，就算天氣不佳仍能保持相當的訊號穿透性；高達98%的全球覆蓋率；高精度三維定速定時；快速、省時、高效率；應用廣泛、多功能；可移動定位。不同於雙星定位系統，使用過程中接收機不需要發出任何訊號；此舉增加了隱蔽性，提高了其軍事應用效能。不過GPS也容易被偽訊號或調頻器幹擾，這不只會影響軍事行動的勝敗，還會導致一些商業損失。該系統由美國政府於1970年代開始研製，1978年2月首次發射，並於1994年全面建成。使用者只需擁有GPS接收晶片即可使用該服務。GPS訊號分為民用的標準定位服務左右的定位精度。GPS系統發展歷程.前身.GPS系統的前身為美軍研製的，1958年研製，1964年正式投入使用。該系統用5到6顆衛星組成的衛星網工作，每天最多繞過地球13次，但無法給出高度資訊，在定位精度方面也不盡如人意。然而，子午儀系統使得研發部門對衛星定位取得了初步的經驗，並驗證了由衛星系統進行定位的可行性，為GPS系統的研製打下基礎。由於衛星定位顯示出在導航方面的巨大優越性及子午儀系統存在對潛艇和艦船導航方面的巨大缺陷，美國海陸空三軍及民用部門都感到迫切需要一種新的衛星導航系統。為此，美國海軍研究實驗室提出了名為Tinmation，用12到18顆衛星組成，10000公里高度的全球定位網計劃，並於1967年、1969年和1974年各發射了一顆試驗衛星，在這些衛星上初步試驗了原子鐘計時系統，這是GPS系統精確定位的基礎。而美國空軍則提出了621-B：以每星群4到5顆衛星組成3至4個星群的計劃，這些衛星中除1顆採用同步軌道外其餘的都使用週期為24h的傾斜軌道。該計劃以偽隨機碼領導，還將辦事機構設立在洛杉磯的空軍航天處。該機構成員眾多，包括美國陸軍、海軍、海軍陸戰隊、交通部、國防制圖局、北約和澳大利亞的代表處。計劃.最初的GPS計劃在聯合計劃局的領導下誕生了，該方案將24個衛星放置在互成120度的六個軌道上。每個軌道上有4個衛星，地球上任何一點均能觀測到6至9個衛星。這樣，粗碼精度可達100m，精碼精度為10m。由於預算緊縮，GPS計劃得減少發射衛星，改為將18個衛星分佈在互成60度的6個軌道上。然而這一方案不能確保衛星可靠性。1988年又進行了最後一次修改：在互成30度的6條軌道上有21個運作衛星和3個備份衛星。這也是現在GPS衛星所使用的工作方式。計劃實施.GPS計劃的實施共分三個階段：1989年2月14日第一顆GPS工作衛星發射成功，這一階段的衛星稱為BLOCK II和BLOCK IIA。此階段宣告GPS系統進入工程建設狀態。1993年底，現在的GPS網，即「21+3」GPS星座已經建成，今後將根據計劃更換失效的衛星。GPS系統的組成.GPS系統主要由空間星座部分、地面監控部分和使用者裝置部分組成。空間星座部分.GPS衛星星座原本設計由24顆衛星組成，其中21顆為工作衛星，3顆為備用衛星。24顆衛星均勻分佈在6個軌道平面上，即每個軌道面上有4顆衛星。衛星軌道面相對於地球赤道面的軌道傾角為55°，各軌道平面的升交點的赤經相差60°，一個軌道平面上的衛星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛星升交角距超前30°。這種佈局的目的是保證在全球任何地點、任何時刻至少可以觀測到4顆衛星。GPS衛星是由洛克菲爾國際公司空間部研製的，單一顆衛星重774kg，使用壽命為7年。衛星採用蜂窩結構，主體呈柱形，直徑為1.5m。衛星兩側裝有兩塊雙葉對日定向太陽能電池帆板的訊號。在星體的兩端面上裝有全向遙測遙控天線，用於與地面監控網的通訊。此外衛星還裝有姿態控制系統和軌道控制系統，以便使衛星保持在適當的高度和角度，準確對準衛星的可見地面。由GPS系統的工作原理可知，衛星時鐘的精確度越高，其定位精度也越高。早期試驗型衛星採用由霍普金斯大學研製的石英振盪器，相對頻率穩定度為formula_2/秒。誤差為14m。1974年以後，GPS衛星採用銣原子鐘，相對頻率穩定度達到formula_3/秒，誤差8m。1977年，BLOCK II型採用了馬斯頻率和時間系統公司研製的銫原子鐘後，相對穩定頻率達到formula_4/秒，誤差再降為2.9m。1981年，休斯公司研製的相對穩定頻率為formula_5/秒的氫原子鐘使BLOCK IIR型衛星誤差降至僅為1m。2011年6月，美國空軍成功擴充套件GPS衛星星座，整調6顆衛星的位置，並加入多3顆衛星。這使工作衛星的數目增加至27顆，擴大了GPS系統的覆蓋範圍，並提高了準確度。地面監控部分.地面監控部分主要由1個主控站組成。主控站位於美國科羅拉多州的謝裡佛爾空軍基地，是整個地面監控系統的管理中心和技術中心。另外還有一個位於馬裡蘭州蓋茨堡的備用主控站，在發生緊急情況時啟用。地面天線站目前有4個，分別位於南太平洋馬紹爾群島的瓜加林環礁，大西洋上的英國屬地阿森松島，英屬印度洋領地的迪戈加西亞島和位於美國本土科羅拉多州的科羅拉多斯普林斯。地面天線站的作用是把主控站計算得到的衛星星歷、導航電文等資訊注入到相應的衛星。地面天線站同時也是監測站，另外還有位於夏威夷和卡納維拉爾角2處監測站，故監測站目前有6個。監測站的主要作用是採集GPS衛星資料和當地的環境資料，然後傳送給主控站。使用者裝置部分.使用者裝置主要為GPS接收機，主要作用是從GPS衛星收到訊號並利用傳來的資訊計算使用者的三維位置及時間。定位誤差分析.GPS定位在過程中出現的各種誤差根據分為三類：與衛星有關的誤差、與訊號傳播有關的誤差及與接收機有關的誤差。這些誤差對GPS定位的影響各不相同，且誤差的大小還與衛星的位置、待定點的位置、接收機裝置、觀測時間、大氣環境以及地理環境等因素有關。針對不同的誤差有不同的處理方法。由於不是使用同步衛星，因此衛星相對於地面進行高速移動。所以必須使用相對論進行衛星時間的修正。SA (Selective Availability) 顯示選擇碼是人為誤差的一個例子，此碼由美國國防部控制，可以限制非軍事用途的精確度。每一個GPS衛星的SA偏差都不相同，定位的位置誤差值是衛星SA偏差的綜合函式。美國政府於2000年5月1日解除此碼後，此誤差已自然消除。差分技術.為了使民用的精確度提昇，科學界發展另一種技術，稱為差分全球定位系統誤差值加入本身座標運算的考慮，便可獲得更精確的值。GPS分為2D導航和3D導航，在衛星訊號不夠時無法提供3D導航服務，而且海拔高度精度明顯不夠，有時達到10倍誤差。經緯度方面經改進後誤差很小。衛星定位儀在高樓林立的地區捕捉衛星訊號要花較長時間。計時器溢位反轉問題.全球定位系統同時會廣播一個時鐘資料，其中裡面有一個表達一週的計數器，為十位二進位制值，值域為0~1023，在過了1024周利用這個資料作為授時如果沒有應對這個現象作特殊處理的話，裝置時間會被退回20~40年的時間。第一次反轉時為UTC 1999年8月21日至8月22日午夜；第二次反轉發生於UTC 2019年4月6日至4月7日晚上， 美國國土安全部，國際民用航空組織和其他機構對此事件作出了警告。其他定位系統.除了美國的GPS系統外，目前正在執行的全球衛星定位系統還有俄羅斯的GLONASS系統和中國的北斗衛星導航定位系統。而歐盟於1999年初正式推出“伽利略”計劃，部署新一代定位衛星。該方案由27顆執行衛星和3顆預備衛星組成，可以覆蓋全球，位置精度達幾米，亦可與美國的GPS系統相容，總投資額為35億歐元。目前已經發射11顆在軌衛星，於2016年12月15日提供早期服務。全球衛星導航系統國際委員會為聯合國的一個非正式機構。其目的是促進與民用衛星定位、導航、正時和增值服務有關的問題及各種全球衛星導航系統的相容性和互通性問題的合作和發展。