全球定位系統

GPS Block II-F衛星在地球軌道運行的概念圖。

全球定位系統（Global Positioning System，通常簡稱GPS），又稱全球衛星定位系統，是美國政府研製，美國太空軍運營與維護的中地球軌道衛星導航系統。它可以為地球表面絕大部分地區（97%）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信號；此舉增加了隱蔽性，提高了其軍事應用效能。不過GPS也容易被偽信號或調頻器干擾，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信號分為民用的標準定位服務（SPS，Standard Positioning Service）和軍用的精確定位服務（PPS，Precise Positioning Service）兩類。由於GPS無須任何授權即可任意使用，原本美國因為擔心敵對國家或敵對組織會利用GPS對美國發動攻擊，故在民用訊號中人為加入選擇性誤差（即SA政策，Selective Availability）以降低精確度，使其最終定位精確度大概在100米左右；軍規的精度在（20～1英尺）以下。2000年以後，比爾·柯林頓政府決定取消干擾民用訊號。因此，現在民用GPS也可以達到（20～1英尺）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子午儀衛星定位系統，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，10,000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周期為24h的傾斜軌道。該計劃以偽隨機碼（PRN）為基礎傳播衛星測距信號，其強大的功能，當信號密度低於環境噪聲的1％時也能將其檢測出來。偽隨機碼的成功運用是GPS系統得以取得成功的一個重要基礎。海軍的計劃主要用於為艦船提供低動態的2維定位，空軍的計劃能供提供高動態服務，然而系統過於複雜。由於同時研製兩個系統會造成巨大的費用，而且這裡兩個計劃都是為了提供全球定位而設計的，所以1973年美國國防部將2者合二為一，並由國防部下轄的衛星導航定位聯合計劃局（JPO）領導，還將辦事機構設立在洛杉磯的空軍航太處。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個衛星分布在互成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：

- 第一階段為方案論證和初步設計階段。從1978年到1979年，由位於加利福尼亞的范登堡空軍基地採用雙子座火箭發射4顆試驗衛星，衛星運行軌道長半軸為26,560公里，傾角64度。軌道高度20,000公里。這一階段主要研製了地面接收機及建立地面跟蹤網，結果令人滿意。
- 第二階段為全面研製和試驗階段。從1979年到1984年，又陸續發射了7顆稱為BLOCK I的試驗衛星，研製了各種用途的接收機。實驗表明，GPS定位精度遠遠超過設計標準，利用粗碼定位，其精度就可達14米。
- 第三階段為實用組網階段。

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12月8日，現在的GPS網，即「21+3」GPS星座建成，開始提供標準定位服務與精確定位服務。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設備部分組成。

### 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顆衛星均勻分布在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°。這種布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（BLOCK I），全長5.33m，接受日光面積為7.2$m^2$。對日定向系統控制兩翼電池帆板旋轉，使板面始終對準太陽，為衛星不斷提供電力，並給三組15Ah鎳鎘電池充電，以保證衛星在地球陰影部分仍能正常工作。在星體底部裝有12個單元的多波束定向天線，能發射張角大約為30度的兩個L波段（19cm和24cm波）的信號。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信。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$10^{-11}$/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$10^{-12}$/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$10^{-13}$/秒，誤差再降為2.9m。1981年，休斯公司研製的相對穩定頻率為$10^{-14}$/秒的氫原子鐘使BLOCK IIR型衛星誤差降至僅為1m。

2011年6月，美國空軍成功擴展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（Master Control Station，簡稱MCS）、4個地面天線站（Ground Antenna）和6個監測站（Monitor Station）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里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衛星數據和當地的環境數據，然後發送給主控站。

### 使用者設備部分

使用者設備主要為GPS接收機，主要作用是從GPS衛星收到信號並利用傳來的資訊計算使用者的三維位置及時間。

## 定位誤差來源與分析

GPS定位在過程中出現的各種誤差根據來源可分為三類：與衛星有關的誤差、與信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、接收機設備、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偏差的綜合函數。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（Differential GPS），簡稱DGPS。亦即利用附近的已知參考座標點（由其它測量方法所得），來修正GPS的誤差。再把這個即時（real time）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，在衛星信號不夠時無法提供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信號要花較長時間。

## GPS的功能

- 精確定時：廣泛應用在天文台、通信系統基站、電視台中
- 工程施工：道路、橋梁、隧道的施工中大量採用GPS設備進行工程測量
- 勘探測繪：野外勘探及城區規劃中都有用到
- 武器導航：精確制導飛彈、巡航飛彈
- 車輛導航：車輛調度、監控系統
- 船舶導航：遠洋導航、港口/內河引水
- 飛機導航：航線導航、進場著陸控制
- 星際導航：衛星軌道定位
- 個人導航：個人旅遊及野外探險
- 車輛防盜系統
- 手機，PDA，PPC等通信行動裝置防盜，電子地圖，定位系統
- 兒童及特殊人群的防走失系統
- 精準農業：農機具導航、自動駕駛，土地高精度平整
- 提供時間數據：用於給電信基站、電視發射站等提供精確同步時鐘源

## GPS的七大特點

- 全天候，不容易受任何天氣的影響
- 全球覆蓋率高達97%
- 三維定點定速定時高精度
- 測站間無需進行通訊
- 快速、省時、高效率
- 應用廣泛、多功能
- 可移動定位

## 計時器溢出反轉問題

全球定位系統同時會廣播一個時鐘數據，其中裡面有一個表達一周的計數器，為十位二進位值，值域為0~1023，在過了1024周（約19.7年）後，值會溢出反轉為0，由於有很多設備（例如：廣播公司、移動運營商、或者進行同步支付操作的）利用這個數據作為授時來源，如果沒有應對這個現象作特殊處理的話，設備時間會被退回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，目前正在運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顆運行衛星和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系統兼容，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兼容性和互通性問題的合作和發展。

## 應用

### 軍事

- 洲際彈道飛彈

### 商業

- 物流管理
- 行動電話
- 數位相機

### 地理

- 地理資訊系統
- 車載資訊系統
- 衛星地圖

### 運輸

- 航空

### 通信

- GPS時鐘

## 延伸閱讀

- Global Positioning System Open Courseware from MIT, 2012

## 外部連結

- AvisMap公司提供GPS追蹤軟體及開發包
- gpstk - OpenSource計畫，藉由GPS衛星信號，計算出接收端點位置，時間的程式庫
- MapOpen開放導航計劃
- GPS在各行業中的應用
- GPS授時系統的誕生和應用簡介 - 本文將向您大概闡述幾個問題。『為什麼要用GPS時鐘授時』，『GPS時鐘授時有什麼優勢』，『其他衛星授時系統的介紹』......
- GPS座標計算原理