GPS：伴你行路给你指引

李筱

“出身战场”的GPS

GPS即“GIobal Positioning System”的缩写，意为全球定位系统，其概念最初诞生于冷战时期的太空竞赛。当时的科学家们通过无线电信号的“多普勒效应”变化来追踪卫星的位置。美国海军在20世纪60年代中叶进行了卫星导航试验，为搭载了核导弹的美国潜艇提供定位服务，通过6颗极地卫星，潜艇能够捕捉卫星的多普勒变化信号，在几分钟内确定自身所在的位置，这就是GPS的前身。

在20世纪70年代早期，美国国防部想要拥有一个强大而稳定的导航系统，于是在海军科学家之前设想的基础上，决定使用卫星来构建这一全球导航系统。1978年，美国国防部发射了第一颗带有定时和测距功能的导航卫星。整个GPS系统于1994年完成星座部署，投入全面运行服务。

延伸阅读 多普勒效应

不知道你有没有注意过这种现象：当救护车迎面驶来时，它的鸣笛声较高;而救护车离去时，它的鸣笛声又变得较为低沉，这种现象就是多普勒效应造成的。多普勒效应是指波源和观测者有相对运动时，观测者接收到的波的频率与波源发出的频率不同的现象。这一现象不仅被广泛应用于观测卫星及天体的运动，也被应用在医学彩超中。

多普勒效应示意图

天鹅周围水波的多普勒效应

地球的31颗“千里眼”

目前，太空中共有31颗GPS卫星正在运行。GPS目前提供两种层级的服务，即标准定位服务（SPS）和精准定位服务（PPS）。精准定位服务的使用权限受到美国空军、美国联邦机构和一些国家的武装部队、政府的严格限制，但标准定位服务全球范围内所有用户均可使用。

随着科技的进步，美国政府也在进行GPS卫星系统的现代化与更新。1999年，美国政府在GPS信号中增加了两个民用信号频道：一个是在GPSL2频率中增加1227.60MHz的第二民用信号L2C，以满足高精度科学用途需要：另一个是增加频率在1176.45MHz的第三民用信号L5，用以满足民用航空等关键生活生产安全需求。

环绕地球的31颗“千里眼”

除此之外，科学家还计划在GPS信号中增加第四民用信号L1C，以达到和全球导航卫星系统（GNSS）互通的目的。这个第四民用信号将会增加在GPSBlockⅢ卫星中，目前正在开发中。

假如GPS失效了

现如今，人们对GPS导航系统的依赖远远超乎想象。GPS卫星搭载着与世界协调时（世界统一时间）保持一致的原子钟，极为准确的时间节点对于一些需要高速运作，如电网和高速金融交易等行业的顺利运行十分重要，因为1/10000秒的分差就意味着数百万美元的损失，甚至我们的互联网也依赖于精确的GPS时间节点来接入路由数据。

如果GPS失效了会怎样？导航失灵？交通瘫痪？远不止这些。GPS失效时，空中的飞机和海中航行的轮船会发现自己已经与世隔绝;军队无法实时监控犯罪分子的活动;人们无法获取天气预报信息;数字电视和广播将会无法传输，最重要的是GPS的失效将会狠狠地冲击我们的日常生活。

GPS失效會使交通瘫痪

延伸阅读 遍地开花的全球导航系统

GPS系统已经伴随我们走过了数十个年头，而人们也建立了包含GPS的全新概念——全球导航系统（GNSS），来解决与定位相关的一系列问题。

目前，除了美国的GPS系统，中国自主研发的北斗卫星导航系统、俄罗斯的GLONASS和欧盟的Galileo导航系统，也都已在全球范围内运作，而印度与日本也已经开发了适用于区域的导航系统，我们未来的生活将因这些科技的发展而更舒适便捷。

13微秒误差，12小时混乱

2016年1月，美国空军退役了一颗GPS卫星，但一个错误的时间节点数据被上传进入了其他正在工作的卫星，这使得这些卫星的时钟产生了13微秒的误差，这个错误在文字中看起来似乎微不足道，但却给全世界带来了超过12个小时的混乱。美国和加拿大发出的一些报告声称，警察、火警和无线电设备当时都陷入混乱，无法工作，电网中还出现了异常信号。更令人震惊的是，这个13微秒的误差导致英国广播公司的数字广播整整瘫痪了两天！

GPS背后的人们

在享受地图导航、外卖定位等便利的同时，你是否了解是谁发明了GPS呢？至少有4位科学家被认为与这项最早源于美国国防部用于军队用途的革命性技术的发明有关。

罗杰·L·伊斯顿

罗杰·L·伊斯顿作为美国海军研究实验室空间应用部门的前主管，是促成GPS发展形成的相关工程与技术应用的“大脑”。作为冷战时期的科学家之一，伊斯顿从事追踪卫星轨道的技术研究，曾主要致力于建立一个以时间为基准的导航概念——时间导航，它被应用于被动测距、圆形轨道和与主时钟同步的星载高精度时钟里。时至今日，这些技术在任意一颗GPS卫星中都十分重要。

伊万·盖亭

盖亭博士因对GPS概念和发展做出巨大贡献而受到了美国发明家名人堂的邀请，并在2003年被美国国家工程院授予了被誉为“工程学界的诺贝尔奖”的查尔斯·斯塔克·德雷珀奖。盖亭博士提出了三维、时差定位导航系统。盖亭博士说：

“在确认了海军已经发展了一个很好的空间导航系统后，科研团队讨论的结论是美国只能有一个导航系统，且这个系统应基于空军、航空航天的概念，被称为GPS，由空军与三个合作部门联合开发。”

布拉德·帕金森

1972—1978年，布拉德·帕金森在NAVSTAR GPS联合项目办公室中担任重要职位。美国发明家名人堂明确指出，作为该项目第一任负责人，他一直是GPS系统概念、工程开发和实施的首席架构师，这也为帕金森赢得了“GPS之父”的美誉。帕金森在参与这个项目之前已经是一名空军上校，被委派重新启动一个空间和导弹系统组织计划，代号为621B，旨在为导航提供高度、经度以及纬度数据。

格拉迪斯·韦斯特

早在1956年，韦斯特博士已就职于美国海军武器实验室。这里曾是冷战后太空竞赛的前沿阵地，也是海军太空监视中心的所在地。韦斯特博士是一名数学家，精于处理卫星数据，以确定卫星的确切位置。2018年12月，韦斯特博士最终被邀请加入空军、太空和导弹先驱名人堂，这是美国空军的太空指挥最高荣誉。据介绍，韦斯特博士的贡献使得“关于大地水准面的计算变得越来越精细，最终优化为GPS轨道”。

（责任编辑/陈莹 美术编辑/杨雅萌）

罗杰·L·伊斯顿（图片来源/Wiki）

伊万·盖亭（图片来源/美国国家工程院）

布拉德·帕金森（圖片来源/Wiki）

格拉迪·斯韦斯特（图片来源/Wiki）