GPS：伴你行路給你指引

李筱

“出身戰場”的GPS

GPS即“GIobal Positioning System”的縮寫，意為全球定位系統，其概念最初誕生于冷戰時期的太空競賽。當時的科學家們通過無線電信號的“多普勒效應”變化來追蹤衛星的位置。美國海軍在20世紀60年代中葉進行了衛星導航試驗，為搭載了核導彈的美國潛艇提供定位服務，通過6顆極地衛星，潛艇能夠捕捉衛星的多普勒變化信號，在幾分鐘內確定自身所在的位置，這就是GPS的前身。

在20世紀70年代早期，美國國防部想要擁有一個強大而穩定的導航系統，于是在海軍科學家之前設想的基礎上，決定使用衛星來構建這一全球導航系統。1978年，美國國防部發射了第一顆帶有定時和測距功能的導航衛星。整個GPS系統于1994年完成星座部署，投入全面運行服務。

延伸閱讀 多普勒效應

不知道你有沒有注意過這種現象：當救護車迎面駛來時，它的鳴笛聲較高;而救護車離去時，它的鳴笛聲又變得較為低沉，這種現象就是多普勒效應造成的。多普勒效應是指波源和觀測者有相對運動時，觀測者接收到的波的頻率與波源發出的頻率不同的現象。這一現象不僅被廣泛應用于觀測衛星及天體的運動，也被應用在醫學彩超中。

多普勒效應示意圖

天鵝周圍水波的多普勒效應

地球的31顆“千里眼”

目前，太空中共有31顆GPS衛星正在運行。GPS目前提供兩種層級的服務，即標準定位服務（SPS）和精準定位服務（PPS）。精準定位服務的使用權限受到美國空軍、美國聯邦機構和一些國家的武裝部隊、政府的嚴格限制，但標準定位服務全球范圍內所有用戶均可使用。

隨著科技的進步，美國政府也在進行GPS衛星系統的現代化與更新。1999年，美國政府在GPS信號中增加了兩個民用信號頻道：一個是在GPSL2頻率中增加1227.60MHz的第二民用信號L2C，以滿足高精度科學用途需要：另一個是增加頻率在1176.45MHz的第三民用信號L5，用以滿足民用航空等關鍵生活生產安全需求。

環繞地球的31顆“千里眼”

除此之外，科學家還計劃在GPS信號中增加第四民用信號L1C，以達到和全球導航衛星系統（GNSS）互通的目的。這個第四民用信號將會增加在GPSBlockⅢ衛星中，目前正在開發中。

假如GPS失效了

現如今，人們對GPS導航系統的依賴遠遠超乎想象。GPS衛星搭載著與世界協調時（世界統一時間）保持一致的原子鐘，極為準確的時間節點對于一些需要高速運作，如電網和高速金融交易等行業的順利運行十分重要，因為1/10000秒的分差就意味著數百萬美元的損失，甚至我們的互聯網也依賴于精確的GPS時間節點來接入路由數據。

如果GPS失效了會怎樣？導航失靈？交通癱瘓？遠不止這些。GPS失效時，空中的飛機和海中航行的輪船會發現自己已經與世隔絕;軍隊無法實時監控犯罪分子的活動;人們無法獲取天氣預報信息;數字電視和廣播將會無法傳輸，最重要的是GPS的失效將會狠狠地沖擊我們的日常生活。

GPS失效會使交通癱瘓

延伸閱讀 遍地開花的全球導航系統

GPS系統已經伴隨我們走過了數十個年頭，而人們也建立了包含GPS的全新概念——全球導航系統（GNSS），來解決與定位相關的一系列問題。

目前，除了美國的GPS系統，中國自主研發的北斗衛星導航系統、俄羅斯的GLONASS和歐盟的Galileo導航系統，也都已在全球范圍內運作，而印度與日本也已經開發了適用于區域的導航系統，我們未來的生活將因這些科技的發展而更舒適便捷。

13微秒誤差，12小時混亂

2016年1月，美國空軍退役了一顆GPS衛星，但一個錯誤的時間節點數據被上傳進入了其他正在工作的衛星，這使得這些衛星的時鐘產生了13微秒的誤差，這個錯誤在文字中看起來似乎微不足道，但卻給全世界帶來了超過12個小時的混亂。美國和加拿大發出的一些報告聲稱，警察、火警和無線電設備當時都陷入混亂，無法工作，電網中還出現了異常信號。更令人震驚的是，這個13微秒的誤差導致英國廣播公司的數字廣播整整癱瘓了兩天！

GPS背后的人們

在享受地圖導航、外賣定位等便利的同時，你是否了解是誰發明了GPS呢？至少有4位科學家被認為與這項最早源于美國國防部用于軍隊用途的革命性技術的發明有關。

羅杰·L·伊斯頓

羅杰·L·伊斯頓作為美國海軍研究實驗室空間應用部門的前主管，是促成GPS發展形成的相關工程與技術應用的“大腦”。作為冷戰時期的科學家之一，伊斯頓從事追蹤衛星軌道的技術研究，曾主要致力于建立一個以時間為基準的導航概念——時間導航，它被應用于被動測距、圓形軌道和與主時鐘同步的星載高精度時鐘里。時至今日，這些技術在任意一顆GPS衛星中都十分重要。

伊萬·蓋亭

蓋亭博士因對GPS概念和發展做出巨大貢獻而受到了美國發明家名人堂的邀請，并在2003年被美國國家工程院授予了被譽為“工程學界的諾貝爾獎”的查爾斯·斯塔克·德雷珀獎。蓋亭博士提出了三維、時差定位導航系統。蓋亭博士說：

“在確認了海軍已經發展了一個很好的空間導航系統后，科研團隊討論的結論是美國只能有一個導航系統，且這個系統應基于空軍、航空航天的概念，被稱為GPS，由空軍與三個合作部門聯合開發。”

布拉德·帕金森

1972—1978年，布拉德·帕金森在NAVSTAR GPS聯合項目辦公室中擔任重要職位。美國發明家名人堂明確指出，作為該項目第一任負責人，他一直是GPS系統概念、工程開發和實施的首席架構師，這也為帕金森贏得了“GPS之父”的美譽。帕金森在參與這個項目之前已經是一名空軍上校，被委派重新啟動一個空間和導彈系統組織計劃，代號為621B，旨在為導航提供高度、經度以及緯度數據。

格拉迪斯·韋斯特

早在1956年，韋斯特博士已就職于美國海軍武器實驗室。這里曾是冷戰后太空競賽的前沿陣地，也是海軍太空監視中心的所在地。韋斯特博士是一名數學家，精于處理衛星數據，以確定衛星的確切位置。2018年12月，韋斯特博士最終被邀請加入空軍、太空和導彈先驅名人堂，這是美國空軍的太空指揮最高榮譽。據介紹，韋斯特博士的貢獻使得“關于大地水準面的計算變得越來越精細，最終優化為GPS軌道”。

（責任編輯/陳瑩 美術編輯/楊雅萌）

羅杰·L·伊斯頓（圖片來源/Wiki）

伊萬·蓋亭（圖片來源/美國國家工程院）

布拉德·帕金森（圖片來源/Wiki）

格拉迪·斯韋斯特（圖片來源/Wiki）