揭秘GPS如何运作 美太空军起何作用

GPS告诉人们身在哪里，并帮助人们到达目的地，但该技术的核心是时间，而时间与生活中的方方面面的事情有关。示意图。

不久前，美国SpaceX公司的猎鹰-9型火箭从佛罗里达州卡纳维拉尔角升入天际，载着一颗方方正正、重达5,000磅、布满天线的全球定位系统（GPS）卫星飞向12,500英里外的目的地——中地球轨道。从这个遥远的制高点，它很快就会向地球发射信号，帮助你找到去郊区表哥的新房子或两个州以外的度假胜地。

这些信号很可能来自GPS III卫星，它是GPS卫星网群的最新成员， GPS服务已经成为人们日常生活中一个必不可少的亲密伙伴。升级到第三代GPS，也就是GPS III，人们得到的不仅仅是天空中的新盒子式样的卫星，而是一系列的服务升级。

全球定位系统（GPS）是国家的一个关键基础设施，它对几乎所有部门都是至关重要，它的大部分相关工作发生在幕后，人们看不见，而且这些工作的复杂程度和难度可能比你想像到的程度要大得多。GPS告诉人们身在哪里，并帮助人们到达目的地，但该技术的核心是时间，而时间与生活中的方方面面的事情有关。

洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）负责太空导航系统的代理副总裁托尼亚·拉德维格（Tonya Ladwig）说：“和GPS相关的事宜比单纯的提供驾驶方向要多得多。”该公司建造了那颗新的GPS III卫星。

根据美国国家标准和技术研究所2019年6月委托第三方进行的一项研究，发现GPS每天影响着美国大约10亿美元的经济。它的影响力，简单地说，是令人震惊的。

GPS是少数几个全球导航卫星系统中最重要的一个。长期以来GPS被不断地改进和升级，旨在向地面提供更好的信号，并使卫星在太空中更加可靠和耐用。这不仅对Uber司机、飞行员、银行家、地质学家、从事精准农业的农民，以及无人机和自动驾驶汽车的用户来说都是个好消息，而且对首先启动整个GPS的部门——美国军队来说也是如此。

而美国军方不仅仅是GPS的最大用户，还在维护着GPS的运作，为全世界的人提供服务。

太空中的原子钟

GPS是如何运作的？它的关键点就是太空中的原子钟。

GPS是一种不间断的在线服务，就像你家里的电和水一样，是一种可靠的公共服务，当你在GPS卫星提供的覆盖范围，就会获得免费的GPS卫星发来的信号。

在GPS系统中有31颗卫星，其中24颗被认为是核心卫星，是GPS系统正常提供服务的最低要求。这24颗卫星分布在6个轨道平面上，所以在任何时候你都应该在至少4颗卫星的覆盖范围之内。剩下的7个卫星基本上是备用的，必要时可以替换使用。尽管它们不断向地球发射信号，人们会在手机、健身追踪器或划船的卫星导航设备上看到，但这些卫星并不知道你的位置，它们只是发送信号，就像太空中的收音机广播站一样。

设在华盛顿特区的非营利组织“导航和计时基金会”的主席达娜·戈沃德（Dana Goward）说：“GPS卫星实际上只是高度精确的原子钟，它通过无线信号将时间信号发射出去。”

在地面上，GPS接收器也就是iPhone或Galaxy手机，由于内部有一个GPS芯片，会接收到来自4颗或更多卫星的原子钟时间信号。通过测量信号到达接收器的瞬间时刻的微小差异，它需要精确到纳秒，也就是十亿分之一秒，它可以计算出你的位置以及一个人是否在移动。

佳明公司（Garmin）的全球导航卫星系统（GNSS）和软件工程总监斯科特·伯格特（Scott Burgett）说：“定位功能是GPS系统的副产品，该公司生产的设备包括健身追踪器和智能手表。”“所有的卫星都在发射信号，而且它们共同发射信号的同步性是非常精确的，为了获得人们的真正位置坐标，必须解读这些同步时间信号。”

人们接到的时间数据将被转化为高度精确的三维坐标信息，即纬度、经度和高度以及速度和方向。这时轮到谷歌地图、苹果地图和其它地理信息系统发挥作用。而这时终端消费者就出场了：你把一个街道地址输入GPS，然后Waze应用程序告诉你要从27号出口下去，再走3.5英里，左转进入你听说过的啤酒和汉堡店的停车场。

也许你把接收到的时间数据只当作是一个时间戳（Timestamp），简单明了。例如，每一笔金融交易都会记录下它的时间戳。

戈沃德先生说：“时间数据的应用可能比你的定位用途要广泛的多得多。”

美国太空军的工作

美国太空军是负责运营和维护GPS系统的部门。每颗卫星就像一个PODS存储容器，金属色而非白色，太阳能电池组像一对翅膀一样伸出来，每天围绕地球两次。

即使这些卫星轨道是经过精确编程计算的，但卫星飞行轨道仍然需要昼夜不停地被照看着。

要想使GPS提供更精确的定位服务，还需要有GPS车来帮助微调卫星信号。GPS车停在一个人工指定的、有着精确经度和纬度坐标的实际地点。当用GPS工具接收GPS卫星信号计算出该GPS车的位置数据时，如果这个GPS位置数据与GPS车的实际位置有误差，那么工作人员就需要通知卫星矫正信号，从而达到微调GPS信号的目的。

有两个太空作业中队（SOPS）从位于科罗拉多州科罗拉多斯普林斯以东的施里弗空军基地对GPS卫星进行监视和管控。还有16个GPS跟踪站散布在全球各地。

一年半前从空军太空部队分离出来的美国太空部队，正在管理这项对全世界数百万平民和企业使用的设备至关重要的服务。GPS的起源可以追溯到20世纪70年代美国国防部的秘密工作，以寻求精确的目标定位。据米尔纳回忆，GPS的首席设计师布拉德·帕金森用一句话概括了这一目标：“在同一个洞里扔五颗炸弹。”

1983年，在一架韩国航空公司的客机由于导航的错误而误入苏联领空并被击落，造成269人死亡之后，罗纳德·里根总统对GPS进行了解密，允许民用飞机使用导航信号。近十年后，GPS在“沙漠风暴”行动中赢得了它作为重要的军事资源的美名。在海湾战争中，它帮助指导美国和盟军穿越沙漠地带，迅速战胜了伊拉克军队。

GPS III承诺，新系统的信号将增强三倍，抗干扰能力将增强八倍，尽管人们可能不会很快看到大的变化。这些卫星预计将有15年的寿命，是上一代早期卫星的两倍。

GPS III还有一个新的民用频率，称为L1C。除了帮助提高信号强度外，它还与欧盟的GPS对应的伽利略系统兼容。

2018年11月，美国联邦通信委员会授权在美国接收伽利略信号，这使得人们更有可能接到多颗卫星的信号，甚至是两位数，而从技术上讲，只需要四颗就能获得一个好的、准确的位置。增加了L1C信号的GPS III可能会使情况变得更好。