1993年2月10日
全球卫星导航与定位技术

顾名思义，卫星定位就是利用导航卫星对目标进行准确定位的技术，全名是“全球卫星定位系统”（global positioning system），简称GPS。

进入新世纪，天上有了导航卫星，地面有了计算机网络，手中有了手机，人们的生活似乎更加快捷、方便了。通过GPS，你也可以随时轻松地知道自己所在的位置；你爱车的位置、速度和方向，以及它如何在地图上移动；你要去的地方该如何到达，路线是对还是错。通过GPS，老人、小孩、智障者甚至宠物的行踪、物品和财物的去向、车辆的防盗和监控、出租车的实时监控和远程调度、人员和车辆安全等也都能一揽子解决。当然，如果必要，作为地面上的一个目标，你的位置也可以轻松地被他人知道，如果不加特别防范，个人的隐私也就随之不保了。所有这一切，都是由于有了全球卫星定位系统（ 图1 ）。

这一技术最初始于20世纪50年代，当时名叫“子午导航系统”，是由美国海陆空三军联合研制的一个军事项目，总耗资300亿美元，1964年正式投入使用，主要为军事目的提供实时、全天候和全球性的导航，还用于情报收集、核爆检测和应急通信等。一开始，它只用了五六颗卫星，因而只能确定目标位置，数据不完备也不精确，尽管不能与现在的导航系统相比，却是这一技术的雏形，它开创了全球卫星定位与导航技术的先河。

1967年7月29日，“子午仪导航”的部分项目被解密提供民用，为卫星导航的发展提供了难得的机遇。1978年和1989年美国先后成功发射GPS的实验卫星和工作卫星，从此宣告GPS系统的运营正式开始。

此后仅仅过了几年，在空中已经有24颗卫星，其中21颗工作卫星，3颗备用卫星，它们分别安置在3条轨道上运行，3条轨道互成120度角，其上各有8颗卫星，无论在地面哪个位置，空中都至少有4颗卫星为导航服务。与此同时，在地面上分别在夏威夷、亚森欣岛、迪亚哥加西亚、瓜加林岛、科罗拉多泉设有5座卫星地基站。 图2 所示是地球上空同步卫星的布设图。

全球卫星定位系统是一门综合技术，涉及面很广也很复杂。首先涉及原子钟的同步问题。为使GPS系统正常工作，卫星需要随时向地面通报自己的准确位置和时间。由于气候、运动和其他因素的影响，卫星原子钟的时间会发生漂移，地基站要随时对卫星原子钟进行同步调整。GPS卫星要不断地把它的时间和位置传输出来，地面接收者对所采集的数据加工处理、运算和存储，这是一个求解方程的过程。三维空间加一维时间，共有4个未知量，所以至少要同时接到来自4个卫星的信息。地基站负责监视GPS的运作状态及它们在太空的准确位置，监视卫星运行的时间偏差，随时对卫星进行定位。

全球卫星定位是一项影响全人类的重要技术，最初研发GPS的团队由来自美国海军实验研究所、航空航天局、罗克韦尔国际公司和IBM的研究人员组成。为表彰他们几十年来在航空和航天领域开发所作出的贡献， 1993年2月10日 ，美国国家航空协会授予这一团队以罗伯特·克里尔奖杯，这是美国最著名的国家航空奖项。

到目前为止，历经几十年，由24颗GPS同步卫星组成的全球定位系统布局已经初步完成，它能覆盖高达全球98%的地区。这些卫星与地面支撑系统组成网络，无论在地球的任何一个点上，都能同时观测到6～9颗卫星，换句话说，每个时刻，在太空上都有6～9颗卫星进行着观测。它们用差分办法彼此协调，每隔1～3秒就向用户播报一次位置、速度、高度和时间信息，其距离的精度可以达到5米。

GPS系统完善以后，人类的生产、生活对它的依赖越来越高，民用飞机和船舶的导航，各种科学或天文观测、大地测量和地球动力学观测，军事打击、导弹及兵种联合作战等都离不开卫星导航系统。但是，无论是生活、生产、科研还是军用的需求，一个大国还是需要有自己的卫星定位服务，而不是单纯依赖其他某个国家的某个系统。

目前，世界建成的卫星定位系统共有4套，除了美国定位系统外，还有中国的北斗系统（ 图3 ）、欧盟的伽利略定位系统和俄罗斯的格劳奈斯（GLONASS）定位系统，这后三家定位系统使用的都是终端自己定位的方案，即由卫星发布信息，由地面终端接收，接收地经过解码后即可以确定自己的位置（ 参见本书11月23日“2014年北斗导航卫星” ）。

经过多年的努力，在专业领域里，卫星定位导航系统已经成为用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、姿态测定、测时授时、地壳运动检测、工程变形监测及资源勘探中的不可缺少的技术，它为地球动力学、航空航天等学科带来了一场深刻的技术革命；在军事、交通、地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、金融、公安等部门和行业也广泛地开展了相关配套技术的研究和应用，成为一个影响诸多专业领域发生巨大变革的关键技术。

在民用上，在车载导航、城市物流管理和控制、智能调度等方面，GPS也有更广泛的应用。世界软件巨头微软也看准了GPS的发展，他们开发了许多软件的配套服务，使GPS不仅能定位，还能发布交通状况、街景状况、天气情况、油料价格、电影放映时间，这些信息每隔两分钟就发布一次，可以说，由定位卫星发布的信息已经随时随地都与你同在。

关键词： 全球卫星定位系统，global positioning system

图1： http://www.gps.gov/systems/gps/

图2： http://acdemocracy.org/the-u-s-global-positioning-system-needs-protection/

图3： http://www.fieldtechnologies.com/china-launches-beidou-gps-system-set-to-rival-us-gps/ jh3Dy7uu/JSlJLDuV4C0XiIvAJHXL6Hu+KbVizoKoR3zNW6dpagKfhmdNJ7pT4fS