GPS

定义

GPS是美国的天基无线电导航系统，在全球范围内不间断地向用户提供定位、导航和授时服务，通常被视作卫星导航系统的代表^[2]。按系统构成划分，它由三部分组成：在空间运行的卫星星座、负责跟踪测轨与控制管理的地面台站，以及用户手中的接收设备^[1]。卫星上装载专用无线电导航设备，向地面广播导航信号；接收机通过测量信号时延或多普勒频移，获得与卫星之间的距离，再结合卫星播发的时间与轨道参数，解算出自身所处的地理位置^[1]。

在更宽泛的概念中，GPS属于全球导航卫星系统(GNSS)的一种。GNSS泛指能够在地表或近地空间任意地点提供三维坐标、速度和时间信息的空基无线电导航系统，GPS是其中最早建成的一个^[3]。

原理

GPS采用被动式测距定位，用户只接收信号、不向卫星发送信息，因此系统能够容纳的用户数量不受限制^[4]。接收机测量信号从卫星到达本地所用的时间，乘以光速便得到一段“伪距”，即包含钟差等误差的观测距离；同时跟踪多颗卫星，就能建立多组距离方程。由于接收机钟差也是未知量，至少需要 4 颗卫星的信号才能同时求解三维位置与时间，实测中通常可同时观测到 8 至 10 颗卫星。

卫星星座的几何布局决定了覆盖能力。GPS 的标称星座为 24 颗卫星，分布在 6 个轨道面内，每个轨道面 4 颗，轨道高度约 20200 千米，倾角 55 度，运行周期约 11 小时 58 分，这样的设计保证地球表面任意地点任意时刻都能同时看到不少于 4 颗卫星。

精确定时是测距的基础。卫星上装有冗余的铷钟或铯钟，作为生成测距信号的频率基准，各卫星钟被同步到 GPS 时间，并由地面控制人员粗略地牵引到美国海军天文台保持的协调世界时。按测距误差折算，1 米距离误差约相当于 3.3 纳秒的时间误差，因此要求星载钟在 12 小时量级上具备约 $10^{-13}$ 的频率稳定度。卫星钟还须补偿相对论效应：二阶多普勒频移使运动中的钟走慢，引力频移又使高空处的钟走快，两者综合后若不修正，星载钟每天将比地面钟快约 38 微秒，对应约 11 千米的测距偏差，因此卫星钟被预先设置一个固定的小数频率偏置 $\Delta f/f=-4.46475\times10^{-10}$ 加以抵消。

地面控制段由主控站、备用主控站、若干指令天线与监测站组成，监测站把原始观测数据送往主控站，主控站据此计算卫星轨道与钟差预测，再经地面天线注入卫星，形成新的导航电文。

flowchart LR

A[空间段 卫星星座] -->|L 波段测距信号与导航电文| C[用户段 接收机]

B[地面控制段 监测站] -->|原始观测数据| D[主控站]

D -->|计算轨道与钟差| B2[地面天线]

B2 -->|注入更新电文| A

C -->|伪距 载波相位等观测| E[位置 速度 时间]

发展历程

GPS 由美国国防部主导研制，1973 年开始试验论证，最初的驱动之一来自潜射弹道导弹的制导需求^[5]。1978 年首颗原型卫星发射，1989 年第一颗工作型卫星(Block II)入轨，1994 年宣布具备完全工作能力，早期星座由 24 颗 Block II 与 Block IIA 中轨卫星构成。在此之前，美国还发展过子午仪(TRANSIT)多普勒定位系统与 Timation 卫星等早期技术，为 GPS 奠定了基础。

早期民用信号受到人为降级。美国曾在民用信号上实施选择可用性(SA)政策，通过人为扰动降低定位精度，使普通民用接收机的精度下降到百米量级；2000 年 5 月 2 日 SA 被取消，民用定位精度提高到 10 米左右^[6]。此外，1983 年一架民航客机被误判为敌机而遭击落后，美国承诺将 GPS 免费开放给民间使用^[6]。

1999 年起美国实施 GPS 现代化计划，通过更新卫星与地面系统持续提升性能^[5]。2005 年发射的 Block IIR-M 卫星增加了第二民用信号 L2C，2010 年前后的 Block IIF 卫星增加了第三民用信号 L5，2018 年起发射的 Block III 卫星提供与其它系统互操作的第四民用信号 L1C，新一代卫星的设计寿命延长到约 15 年，并不再使用 SA 政策^[5]。地面段同步升级，新一代运行控制系统 OCX 于 2010 年开始研制，以支持新信号与 GPS III 卫星的控制^[5]。

信号体制也随之扩展。传统信号使用 L1(1575.42 MHz)与 L2(1227.60 MHz)两个频点，加装粗捕获码(C/A 码)供民用，加密的 P(Y) 码供授权用户使用，导航电文速率仅 50 bps。新增的 L5 位于受保护的航空无线电导航频段，面向生命安全类应用，L1C 则用于与其它卫星导航系统互操作。

应用

导航与交通是 GPS 最直接的应用。车载与手机接收机结合电子地图可提供路径引导，航海船只与内河船舶广泛使用卫星导航接收机，与无线电通信集成后还可形成位置报告与紧急救援系统^[6]。在航空领域，基于 GPS 的广域增强系统(WAAS)通过静地卫星转发地面改正数据，为飞机提供更高精度与完好性的引导服务^[6]。

测绘与地球科学依赖 GPS 的高精度定位。它可以用于建立不同等级的测量控制网、获取地表三维数字信息并生成地图、为航空摄影测量提供位置和姿态数据，也用于板块运动研究、火山活动监测、大桥与水坝监测等^[3]。在工程施工中，实时动态定位技术可用于河道公路测量以及矿山、大型工地的机械自动化控制^[6]。

授时是另一类基础应用。GPS 接收机可作为时间同步装置，为通信网络、金融交易处理等需要统一时钟的场合提供时间基准^[6]。在科学研究方面，GPS 的精密定时与定位被用于时间频率传递和大气水汽等气象参数的确定^[3]。

在农业与资源环境管理中，GPS 支撑精细农业、环境监测、突发事件与灾害评估、自然资源分析等定位需求^[6]。军用方面，GPS 早期即服务于陆海空导航、情报收集、核爆监测与应急通信等目的，军用信号与民用信号使用不同频段^[6]。

局限

GPS 信号到达地面时已相当微弱，在水下、隧道、室内以及城市高楼、深切矿区、陡峭地形等信号被遮挡或衰减的场所，接收机常常难以获得足够的卫星信号，定位会中断或明显劣化^[7]。卫星几何分布也影响结果，在可见卫星少或分布不佳的场景中精度会下降，这是单纯依靠测距定位难以回避的问题。

信号易受干扰与欺骗是另一重限制。许多导航应用对 GNSS 依赖度很高，一旦出现干扰、人为压制或欺骗，以及建筑物造成的遮挡与反射，导航可能丢失甚至给出误导性结果，而目前可用的备份手段各有覆盖范围、城市环境下退化或结果漂移等不足^[8]。为增强抗干扰能力，新一代卫星采用了功率更高且加密的军用信号，并在后续型号中引入可将信号能量集中于特定区域的区域军事保护功能，但截至目前仍不存在能够完全替代 GPS 的方案^[9]。

系统层面的单点依赖同样值得注意。GPS 提供的授时服务对金融系统、电网和互联网等基础设施的同步运行十分关键，但不少系统并未设计有效的备用授时方案^[9]。原子钟等核心部件的可靠性也是一项长期的技术难题，曾有多套导航系统因星载钟故障而影响服务能力^[9]。此外，GPS 由美国国防部建立、现由美国政府拥有并由美国太空军运行，这种单一主体所有的格局也使部分用户寻求自主可控的替代或补充系统^[4]。

为弥补上述不足，惯性导航、地磁匹配、视觉匹配、增强型远程导航(eLoran)等非卫星或非射频手段被作为补充方案研究，它们不易被干扰或屏蔽，但在精度与便利性上均难以与 GPS 相比^[7]。在系统层面，广域增强系统、星基增强系统以及低轨商业导航星座等，可在特定区域或特定场景提升精度、完好性与可用性^[4]。

参见

• 北斗卫星导航系统 —— 中国自主建设、独立运行的全球卫星导航系统，与 GPS 同属全球四大系统之一。

• 格洛纳斯 —— 俄罗斯的全球卫星导航系统，可与 GPS 联合使用以提高可用性。

• 伽利略卫星导航系统 —— 欧盟建设的民用全球卫星导航系统，开放服务信号与 GPS 互通互用。

• 全球导航卫星系统 —— GPS 所属的更大技术类别，泛指提供全球定位、导航与授时的卫星系统。

• 原子钟 —— 星载时间频率基准，其稳定性直接决定测距与定位精度。

• 广域增强系统 —— 借助静地卫星转发改正数据、增强 GPS 性能的星基增强系统。