揭秘GPS如何運作 美太空軍起何作用

不久前，SpaceX公司的獵鷹－9型火箭從佛羅里達州卡納維拉爾角升入天際，載著一顆方方正正、重達5,000磅、佈滿天線的全球定位系統（GPS）衛星飛向12,500英里外的目的地－－中地球軌道。從這個遙遠的制高點，它很快就會向地球發射信號，幫助你找到去郊區表哥的新房子或兩個州以外的度假勝地。

這些信號很可能來自GPS III衛星，它是GPS衛星網群的最新成員， GPS服務已經成為人們日常生活中一個必不可少的親密夥伴。升級到第三代GPS，也就是GPS III，人們得到的不僅僅是天空中的新盒子式樣的衛星，而是一系列的服務升級。

全球定位系統（GPS）是國家的一個關鍵基礎設施，它對幾乎所有部門都是至關重要，它的大部份相關工作發生在幕後，人們看不見，而且這些工作的複雜程度和難度可能比你想像到的程度要大得多。GPS告訴人們身在哪裏，並幫助人們到達目的地，但該技術的核心是時間，而時間與生活中的方方面面的事情有關。

洛克希德．馬丁公司（Lockheed Martin）負責太空導航系統的代理副總裁托尼亞．拉德維格（Tonya Ladwig）說：「和GPS相關的事宜比單純的提供駕駛方向要多得多。」該公司建造了那顆新的GPS III衛星。

根據美國國家標準和技術研究所2019年6月委託第三方進行的一項研究，發現GPS每天影響著美國大約10億美元的經濟。它的影響力，簡單地說，是令人震驚的。

GPS是少數幾個全球導航衛星系統中最重要的一個。長期以來GPS被不斷地改進和升級，旨在向地面提供更好的信號，並使衛星在太空中更加可靠和耐用。這不僅對Uber司機、飛行員、銀行家、地質學家、從事精準農業的農民，以及無人機和自動駕駛汽車的用戶來說都是個好消息，而且對首先啟動整個GPS的部門——美國軍隊來說也是如此。

而美國軍方不僅僅是GPS的最大用戶，還在維護著GPS的運作，為全世界的人提供服務。

太空中的原子鐘

GPS是如何運作的？它的關鍵點就是太空中的原子鐘。

GPS是一種不間斷的在線服務，就像你家裏的電和水一樣，是一種可靠的公共服務，當你在GPS衛星提供的覆蓋範圍，就會獲得免費的GPS衛星發來的信號。

在GPS系統中共有31顆衛星，其中24顆被認為是核心衛星，是GPS系統正常提供服務的最低要求。這24顆衛星分佈在6個軌道平面上，所以在任何時候你都應該在至少4顆衛星的覆蓋範圍之內。剩下的7個衛星基本上是備用的，必要時可以替換使用。儘管它們不斷向地球發射信號，人們會在手機、健身追蹤器或划船的衛星導航設備上看到，但這些衛星並不知道你的位置，它們只是發送信號，就像太空中的收音機廣播站一樣。

設在華盛頓特區的非牟利組織「導航和計時基金會」的主席達娜．戈沃德（Dana Goward）說：「GPS衛星實際上只是高度精確的原子鐘，它通過無線信號將時間信號發射出去。」

在地面上，GPS接收器也就是iPhone或Galaxy手機，由於內部有一個GPS晶片，會接收到來自4顆或更多衛星的原子鐘時間信號。通過測量信號到達接收器的瞬間時刻的微小差異，它需要精確到納秒，也就是十億分之一秒，它可以計算出你的位置以及一個人是否在移動。

佳明公司（Garmin）的全球導航衛星系統（GNSS）和軟件工程總監斯科特．伯格特（Scott Burgett）說：「定位功能是GPS系統的副產品，該公司生產的設備包括健身追蹤器和智能手錶。」「所有的衛星都在發射信號，而且它們共同發射信號的同步性是非常精確的，為了獲得人們的真正位置坐標，必須解讀這些同步時間信號。」

人們接到的時間數據將被轉化為高度精確的三維坐標信息，即緯度、經度和高度以及速度和方向。這時輪到Google地圖、蘋果地圖和其它地理信息系統發揮作用。而這時終端消費者就出場了：你把一個街道地址輸入GPS，然後Waze應用程式告訴你要從27號出口下去，再走3.5英里，左轉進入你聽說過的啤酒和漢堡店的停車場。

也許你把接收到的時間數據只當作是一個時間戳（Timestamp），簡單明瞭。例如，每一筆金融交易都會記錄下它的時間戳。

戈沃德先生說：「時間數據的應用可能比你的定位用途要廣泛的多得多。」

美國太空軍的工作

美國太空軍是負責營運和維護GPS系統的部門。每顆衛星就像一個PODS存儲容器，金屬色而非白色，太陽能電池組像一對翅膀一樣伸出來，每天圍繞地球兩次。

即使這些衛星軌道是經過精確編程計算的，但衛星飛行軌道仍然需要晝夜不停地被照看著。

要想使GPS提供更精確的定位服務，還需要有GPS車來幫助微調衛星信號。GPS車停在一個人工指定的、有著精確經度和緯度坐標的實際地點。當用GPS工具接受GPS衛星信號計算出該GPS車的位置數據時，如果這個GPS位置數據與GPS車的實際位置有誤差，那麼工作人員就需要通知衛星矯正信號，從而達到微調GPS信號的目的。

有兩個太空工作中隊（SOPS）從位於科羅拉多州科羅拉多斯普林斯以東的施里弗空軍基地對GPS衛星進行監視和管控。還有16個GPS跟蹤站散佈在全球各地。

一年半前從空軍太空部隊分離出來的美國太空部隊，正在管理這項對全世界數百萬平民和企業使用的設備至關重要的服務。GPS的起源可以追溯到20世紀70年代美國國防部的秘密工作，以尋求精確的目標定位。據米爾納回憶，GPS的首席設計師布拉德．帕金森用一句話概括了這一目標：「在同一個洞裏扔五顆炸彈。」

1983年，在一架南韓航空公司的客機由於導航的錯誤而誤入蘇聯領空並被擊落，造成269人死亡之後，羅納德．列根總統對GPS進行了解密，允許民用飛機使用導航信號。近十年後，GPS在「沙漠風暴」行動中贏得了它作為重要的軍事資源的美名。在海灣戰爭中，它幫助指導美國和盟軍穿越沙漠地帶，迅速戰勝了伊拉克軍隊。

GPS III承諾，新系統的信號將增強三倍，抗干擾能力將增強八倍，儘管人們可能不會很快看到大的變化。這些衛星預計將有15年的壽命，是上一代早期衛星的兩倍。

GPS III還有一個新的民用頻率，稱為L1C。除了幫助提高信號強度外，它還與歐盟的GPS對應的伽利略系統兼容。

2018年11月，美國聯邦通信委員會授權在美國接收伽利略信號，這使得人們更有可能接到多顆衛星的信號，甚至是兩位數，而從技術上講，只需要四顆就能獲得一個好的、準確的位置。增加了L1C信號的GPS III可能會使情況變得更好。#

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