GPS全球卫星定位系统

定义

GPS全球卫星定位系统由空间段、地面段和用户段三部分构成^[4]。空间段是分布在 6 个轨道面上的卫星星座，基本星座包含 24 颗卫星^[1]。地面段负责跟踪卫星、计算轨道与钟差参数并向卫星注入导航数据，用户段则是各类接收机^[5]。

按照服务类型，GPS 分为精密定位服务和标准定位服务：前者主要面向军方，使用加密的 P 码；后者面向公众，使用 C/A 码^[6]。美国将标准定位服务作为面向世界的公开服务，不直接向用户收取费用^[1]。

原理

GPS 属于无源测距系统，接收机只接收卫星广播的信号，不需要向卫星发送任何信息^[1]。卫星播发的信号中包含测距码和导航电文，接收机据此测出信号从卫星传到自身的耗时，再乘以光速，就得到两者之间的距离。

由于接收机时钟与卫星时钟难以完全同步，这样直接测出的距离并非真实距离，而被称为伪距。待解的未知量包括接收机的三维坐标和一个钟差，共 4 个，因此至少要同时观测 4 颗卫星才能完成解算，即 $d = c\,\Delta t$ 中的时间偏差必须与位置一并求出^[4]。几何上可以把每颗卫星看作球心、把测得距离看作半径，若干个球面的公共交点就是接收机的位置^[4]。

graph LR

A[卫星播发测距信号与导航电文] --> B[用户接收机]

B --> C[解算三维坐标、速度与时间]

D[地面控制部分跟踪并注入导航数据] --> A

卫星上装有高精度原子钟，为测距提供时间基准^[4]。卫星钟与地面钟所处的运动状态和引力势不同，会产生相对论频移，综合结果是星载钟每天约比地面钟快 38 微秒；若不加改正，每天累积的定位误差可达约 10 千米^[7]。工程上的做法包括在发射前把卫星钟频率预先调低，并按轨道偏心率对钟差作周期项修正^[7]。

发展历程

GPS 的前身是子午仪卫星导航系统，该系统 20 世纪 50 年代末由美国军方研制，1964 年正式投入使用，由 5 至 6 颗卫星组网，每天最多绕地球 13 圈，不能给出高度信息，定位精度也比较有限^[5]。但子午仪验证了利用卫星实现定位的可行性，为新一代系统积累了经验^[5]。

20 世纪 70 年代，美国海军和美国空军各自提出了全球定位方案，前者偏重为舰船提供低动态定位，后者侧重高动态服务^[5]。1973 年，美国国防部将两个方案合并，设立联合计划办公室统一管理，并于当年 12 月批准研制^[5][8]。合并后的方案把空军的信号体制与海军的卫星轨道和原子钟研究成果结合在一起^[9]。

1978 年 2 月 22 日，首颗 GPS 试验卫星由阿特拉斯火箭从范登堡发射升空^[8][10]。此后至 1985 年，美国共发射 11 颗 Block I 试验卫星用于系统验证^[9]。试验显示，车载接收机在 80 千米时速下即可达到约 10 米的二维定位精度，优于设计指标^[8]。

到 1993 年底，实用的 GPS 星座部署完成；1994 年 3 月，全球覆盖率达 98% 的 24 颗卫星星座布设完毕^[2]。1995 年 4 月 27 日，GPS 被宣布进入完全工作状态^[1]。整个系统前后研制二十余年，耗资约 300 亿美元^[2]。

早期 GPS 在 Block II 卫星上实施了选择可用性政策，通过降低星历精度和在卫星基准频率上叠加抖动噪声，把民用定位精度压低到约 100 米^[6]。1996 年美国发布国家 GPS 政策，表示要推动民用应用并逐步中止这一做法^[11]。2000 年 5 月 1 日午夜起，选择可用性正式停止执行，民用单点定位精度提高到平均 6 米左右的水平^[11]。美国官方给出的预期误差也由 100 米改善到约 20 米以内^[12]。

1996 年前后，美国启动 GPS 现代化计划对系统进行升级^[1]。其中的一项内容是增设民用信号：1227 MHz 附近的第二民用信号自 2003 年起随新卫星投入使用，1176 MHz 附近的第三民用信号计划自 2005 年起提供，主要面向航空等与生命安全相关的应用^[13]。这一现代化阶段预计五年内投入约 27 亿美元^[13]。

应用

在陆地上，GPS 用于车辆导航、应急调度、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测和市政规划等。在海洋上，它服务于船舶航线测定、船只实时调度、海上救援、水文地质测量和海平面变化监测。在航空与航天领域，则用于飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨和导弹制导等。

授时是 GPS 的另一类重要用途，卫星播发的信号可用来校准地面时钟，为通信等需要高精度时间同步的系统提供参考^[3]。智能手机内置定位芯片后，也通过接收卫星信号并解算得到自身位置^[4]。

为满足更高精度需求，可以在坐标已知的基准站上同步观测，求出改正数并发送给用户，这类差分GPS技术能把定位精度提高到米级。在美国，交通部门建设了全国差分 GPS 网络，为陆地和海上用户提供 1 至 3 米级的服务^[12]。

局限

GPS 依赖对卫星信号的直接接收，只有在天空视野开阔时才能正常工作，在建筑物内部、城市峡谷、隧道、地下和水下等环境中往往无法定位^[14]。卫星信号到达地面时已相当微弱，容易被遮挡和衰减^[15]。

城市环境中建筑物对信号形成反射，会造成多径效应和非视距接收，使测得距离出现偏差，其影响可带来数十米乃至上百米的误差^[16]。当接收机可见卫星数量不足 4 颗时，无法完成定位解算^[17]。卫星在天空中的几何分布不佳还会放大测距误差，进一步降低定位精度^[16]。

信号在传播过程中还会受到电离层和对流层影响而产生额外延迟，需要用模型改正或双频观测加以削弱。此外，GPS 信号可能受到无意或有意的无线电干扰，也可能遭到能够使接收机输出错误位置的欺骗攻击^[16]。

在系统层面，美国早期通过选择可用性政策人为降低民用精度，民用用户只能保证处在约 100 米半径范围内，这一限制直到 2000 年才解除^[3]。美方也说明保留了在国家安全受到威胁时于特定区域拒止 GPS 信号的能力^[18]。

参见

• 子午仪卫星导航系统 —— GPS 的前身，20 世纪 60 年代投入使用的美军卫星导航系统。

• 全球导航卫星系统 —— 包括 GPS 在内的各类卫星导航系统的统称。

• 北斗卫星导航系统 —— 中国建设的全球卫星导航系统。

• 差分GPS —— 借助基准站改正量提高 GPS 定位精度的技术。

• 原子钟 —— 为卫星导航提供高稳定时间基准的核心部件。