全球定位系统

GPS Block II-F卫星在地球轨道运行的概念图。

全球定位系统（Global Positioning System，通常简称GPS），又称全球卫星定位系统，是美国政府研制，美国太空军运营与维护的中地球轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区（97%）提供准确的定位、测速和高精度的标准时间。全球定位系统可满足位于全球地面任何一处或近地空间的军事用户连续且精确地确定三维位置、三维运动和时间的需求。该系统包括太空中的31颗GPS人造卫星；地面上1个主控站、3个数据注入站和5个监测站，及作为用户端的GPS军用接收机器、智能手机等。最少只需4个卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度；所能接收到的卫星讯号数越多，解码出来的位置就越精确。同时因为是利用时间差定位，故也能精准校正时间戳记。GPS系统拥有如下多种优点：使用低频讯号，就算天气不佳仍能保持相当的讯号穿透性；高达98%的全球覆盖率；高精度三维定速定时；快速、省时、高效率；应用广泛、多功能；可移动定位。不同于双星定位系统，使用过程中接收机不需要发出任何信号；此举增加了隐蔽性，提高了其军事应用效能。不过GPS也容易被伪信号或调频器干扰，这不只会影响军事行动的胜败，还会导致一些商业损失。

该系统由美国政府于1970年代开始研制，1978年2月首次发射，并于1994年全面建成。使用者只需拥有GPS接收芯片即可使用该服务。GPS信号分为民用的标准定位服务（SPS，Standard Positioning Service）和军用的精确定位服务（PPS，Precise Positioning Service）两类。由于GPS无须任何授权即可任意使用，原本美国因为担心敌对国家或敌对组织会利用GPS对美国发动攻击，故在民用讯号中人为加入选择性误差（即SA政策，Selective Availability）以降低精确度，使其最终定位精确度大概在100米左右；军规的精度在（20～1英尺）以下。2000年以后，比尔·克林顿政府决定取消干扰民用讯号。因此，现在民用GPS也可以达到（20～1英尺）左右的定位精度。

## GPS系统发展历程

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### 前身

GPS系统的前身为美军研制的子午仪卫星定位系统，1958年研制，1964年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的卫星网工作，每天最多绕过地球13次，但无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS系统的研制打下基础。由于卫星定位显示出在 导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷，美国海陆空三军及民用部门都感到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提出了名为Tinmation，用12到18颗卫星组成，10,000公里高度的全球定位网计划，并于1967年、1969年和1974年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这是GPS系统精确定位的基础。而美国空军则提出了621-B：以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划，这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道。该计划以伪随机码（PRN）为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的1％时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS系统得以取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的2维定位，空军的计划能供提供高动态服务，然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用，而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以1973年美国国防部将2者合二为一，并由国防部下辖的卫星导航定位联合计划局（JPO）领导，还将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处。

### 计划

最初的GPS计划在联合计划局的领导下诞生了，该方案将24个卫星放置在互成120度的六个轨道上。每个轨道上有4个卫星，地球上任何一点均能观测到6至9个卫星。这样，粗码精度可达100m，精码精度为10m。由于预算紧缩，GPS计划得减少发射卫星，改为将18个卫星分布在互成60度的6个轨道上。然而这一方案不能确保卫星可靠性。1988年又进行了最后一次修改：在互成30度的6条轨道上有21个运作卫星和3个备份卫星。这也是现在GPS卫星所使用的工作方式。

### 计划实施

GPS计划的实施共分三个阶段：

- 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1978年到1979年，由位于加利福尼亚的范登堡空军基地采用双子座火箭发射4颗试验卫星，卫星运行轨道长半轴为26,560公里，倾角64度。轨道高度20,000公里。这一阶段主要研制了地面接收机及建立地面跟踪网，结果令人满意。
- 第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，又陆续发射了7颗称为BLOCK I的试验卫星，研制了各种用途的接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准，利用粗码定位，其精度就可达14米。
- 第三阶段为实用组网阶段。

1989年2月14日第一颗GPS工作卫星发射成功，这一阶段的卫星称为BLOCK II和BLOCK IIA。此阶段宣告GPS系统进入工程建设状态。1993年12月8日，现在的GPS网，即“21+3”GPS星座建成，开始提供标准定位服务与精确定位服务。今后将根据计划更换失效的卫星。

## GPS系统的组成

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GPS系统主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分组成。

### 空间星座部分

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GPS卫星星座原本设计由24颗卫星组成，其中21颗为工作卫星，3颗为备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上，即每个轨道面上有4颗卫星。卫星轨道面相对于地球赤道面的轨道倾角为55°，各轨道平面的升交点的赤经相差60°，一个轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星升交角距超前30°。这种布局的目的是保证在全球任何地点、任何时刻至少可以观测到4颗卫星。

GPS卫星是由洛克菲尔国际公司空间部研制的，单一颗卫星重774kg，使用寿命为7年。卫星采用蜂窝结构，主体呈柱形，直径为1.5m。卫星两侧装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板（BLOCK I），全长5.33m，接受日光面积为7.2$m^2$。对日定向系统控制两翼电池帆板旋转，使板面始终对准太阳，为卫星不断提供电力，并给三组15Ah镍镉电池充电，以保证卫星在地球阴影部分仍能正常工作。在星体底部装有12个单元的多波束定向天线，能发射张角大约为30度的两个L波段（19cm和24cm波）的信号。在星体的两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网的通信。此外卫星还装有姿态控制系统和轨道控制系统，以便使卫星保持在适当的高度和角度，准确对准卫星的可见地面。

由GPS系统的工作原理可知，卫星时钟的精确度越高，其定位精度也越高。早期试验型卫星采用由霍普金斯大学研制的石英振荡器，相对频率稳定度为$10^{-11}$/秒。误差为14m。1974年以后，GPS卫星采用铷原子钟，相对频率稳定度达到$10^{-12}$/秒，误差8m。1977年，BLOCK II型采用了马斯频率和时间系统公司研制的铯原子钟后，相对稳定频率达到$10^{-13}$/秒，误差再降为2.9m。1981年，休斯公司研制的相对稳定频率为$10^{-14}$/秒的氢原子钟使BLOCK IIR型卫星误差降至仅为1m。

2011年6月，美国空军成功扩展GPS卫星星座，整调6颗卫星的位置，并加入多3颗卫星。这使工作卫星的数目增加至27颗，扩大了GPS系统的覆盖范围，并提高了准确度。

### 地面监控部分

地面监控部分主要由1个主控站（Master Control Station，简称MCS）、4个地面天线站（Ground Antenna）和6个监测站（Monitor Station）组成。

主控站位于美国科罗拉多州的谢里佛尔空军基地，是整个地面监控系统的管理中心和技术中心。另外还有一个位于马里兰州盖茨堡的备用主控站，在发生紧急情况时启用。

地面天线站目前有4个，分别位于南太平洋马绍尔群岛的瓜加林环礁，大西洋上的英国属地阿森松岛，英属印度洋领地的迪戈加西亚岛和位于美国本土科罗拉多州的科罗拉多斯普林斯。地面天线站的作用是把主控站计算得到的卫星星历、导航电文等信息注入到相应的卫星。

地面天线站同时也是监测站，另外还有位于夏威夷和卡纳维拉尔角2处监测站，故监测站目前有6个。监测站的主要作用是采集GPS卫星数据和当地的环境数据，然后发送给主控站。

### 用户设备部分

用户设备主要为GPS接收机，主要作用是从GPS卫星收到信号并利用传来的信息计算用户的三维位置及时间。

## 定位误差来源与分析

GPS定位在过程中出现的各种误差根据来源可分为三类：与卫星有关的误差、与信号传播有关的误差及与接收机有关的误差。这些误差对GPS定位的影响各不相同，且误差的大小还与卫星的位置、待定点的位置、接收机设备、观测时间、大气环境以及地理环境等因素有关。针对不同的误差有不同的处理方法。

由于不是使用同步卫星，因此卫星相对于地面进行高速移动。所以必须使用相对论进行卫星时间的修正。

SA (Selective Availability) 显示选择码是人为误差的一个例子，此码由美国国防部控制，可以限制非军事用途的精确度。每一个GPS卫星的SA偏差都不相同，定位的位置误差值是卫星SA偏差的综合函数。美国政府于2000年5月1日解除此码后，此误差已自然消除。

## 差分技术

为了使民用的精确度提升，科学界发展另一种技术，称为差分全球定位系统（Differential GPS），简称DGPS。亦即利用附近的已知参考座标点（由其它测量方法所得），来修正GPS的误差。再把这个即时（real time）误差值加入本身座标运算的考虑，便可获得更精确的值。

GPS分为2D导航和3D导航，在卫星信号不够时无法提供3D导航服务，而且海拔高度精度明显不够，有时达到10倍误差。经纬度方面经改进后误差很小。卫星定位仪在高楼林立的地区捕捉卫星信号要花较长时间。

## GPS的功能

- 精确定时：广泛应用在天文台、通信系统基站、电视台中
- 工程施工：道路、桥梁、隧道的施工中大量采用GPS设备进行工程测量
- 勘探测绘：野外勘探及城区规划中都有用到
- 武器导航：精确制导导弹、巡航导弹
- 车辆导航：车辆调度、监控系统
- 船舶导航：远洋导航、港口/内河引水
- 飞机导航：航线导航、进场着陆控制
- 星际导航：卫星轨道定位
- 个人导航：个人旅游及野外探险
- 车辆防盗系统
- 手机，PDA，PPC等通信移动设备防盗，电子地图，定位系统
- 儿童及特殊人群的防走失系统
- 精准农业：农机具导航、自动驾驶，土地高精度平整
- 提供时间数据：用于给电信基站、电视发射站等提供精确同步时钟源

## GPS的七大特点

- 全天候，不容易受任何天气的影响
- 全球覆盖率高达97%
- 三维定点定速定时高精度
- 测站间无需进行通讯
- 快速、省时、高效率
- 应用广泛、多功能
- 可移动定位

## 计时器溢出反转问题

全球定位系统同时会广播一个时钟数据，其中里面有一个表达一周的计数器，为十位二进制值，值域为0~1023，在过了1024周（约19.7年）后，值会溢出反转为0，由于有很多设备（例如：广播公司、移动运营商、或者进行同步支付操作的）利用这个数据作为授时来源，如果没有应对这个现象作特殊处理的话，设备时间会被退回20~40年的时间。第一次反转时为UTC 1999年8月21日至8月22日午夜；第二次反转发生于UTC 2019年4月6日至4月7日晚上，美国国土安全部，国际民用航空组织和其他机构对此事件作出了警告。

## 其他定位系统

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除了美国的GPS系统外，目前正在运行的全球卫星定位系统还有俄罗斯的GLONASS系统和中国的北斗卫星导航定位系统。

而欧盟于1999年初正式推出“伽利略”计划，部署新一代定位卫星。该方案由27颗运行卫星和3颗预备卫星组成，可以覆盖全球，位置精度达几米，亦可与美国的GPS系统兼容，总投资额为35亿欧元。目前已经发射11颗在轨卫星，于2016年12月15日提供早期服务。

全球卫星导航系统国际委员会为联合国的一个非正式机构。其目的是促进与民用卫星定位、导航、正时和增值服务有关的问题及各种全球卫星导航系统的兼容性和互通性问题的合作和发展。

## 应用

### 军事

- 洲际弹道导弹

### 商业

- 物流管理
- 移动电话
- 数码相机

### 地理

- 地理信息系统
- 车载资讯系统
- 卫星地图

### 运输

- 航空

### 通信

- GPS时钟

## 延伸阅读

- Global Positioning System Open Courseware from MIT, 2012

## 外部链接

- AvisMap公司提供GPS追踪软件及开发包
- gpstk - OpenSource计划，借由GPS卫星信号，计算出接收端点位置，时间的程式库
- MapOpen开放导航计划
- GPS在各行业中的应用
- GPS授时系统的诞生和应用简介 - 本文将向您大概阐述几个问题。‘为什么要用GPS时钟授时’，‘GPS时钟授时有什么优势’，‘其他卫星授时系统的介绍’......
- GPS座标计算原理