美國GPS的前生今世

本文來自微信公眾號： 中國工程院院刊（ID：CAE-Engineering） ，內容選自中國工程院院刊《Engineering》2021年第3期，作者：Peter Weiss，頭圖來自：視覺中國

全球定位系統 （GPS） 是現代工程技術成就中的佼佼者，是第一個能夠為所有使用無線電接收機的人提供簡單、基本並且實用的確切位置的系統。

GPS歷經多年的建設，目前已在全球得到廣泛應用，對人類社會產生了變革性的影響。GPS的發展契機和發展歷程是怎樣的？建設過程中解決了哪些瓶頸？有哪些突出的技術創新？GPS專案的核心建設者是如何創造性地開展研製工作的？

中國工程院院刊《Engineering》在2021年第3期刊發《全球定位系統——建立太空衛星通訊，改變地球上的日常生活》，敘述了從20世紀50年代末起GPS的發明和發展歷史。

文章指出，衛星導航系統的想法起源於美國軍方，GPS產生於美國空軍的一個計劃，該計劃在先前的Transit系統和其他專案的進展上進行了擴充，並在測距和通訊訊號、太空原子鐘、衛星軌道預測、航天器壽命和使用者接收機方面進行了關鍵性的創新。

其中， 測距訊號能在系統完成後25年保持不變，是對GPS的成功實施及整體效能、多功能性和有效性的最大貢獻。 為進一步瞭解GPS的研究歷程，文章還列出了GPS發展里程碑的時間線，GPS專案的領導者Bradford W. Parkinson對專案研究的介紹，以期對GPS發展歷程有更為全面的認識。

一、序言

1990年年底，海灣戰爭逼近伊拉克應該從科威特撤出入侵部隊的最後期限 （1991年1月份） 。在沙漠風暴行動的前線，美國軍隊的士兵開始要求他們的家人從家鄉的航海用品供應站購買商用衛星導航接收機，並將這些裝置郵寄給身處中東的他們。幾十年來，美國軍方一直在開發為美軍提供全球導航資料的衛星星座，當時這個星座仍然缺少約三分之一的航天器。

儘管如此，仍有足夠多的衛星繞軌執行並傳播位置和時間資料，這可以極大地幫助聚集在阿拉伯半島及其附近的美國士兵，因為他們可能不久要在單調的沙漠地形上穿行並且戰鬥。然而，幾乎所有人，以及他們的坦克、直升機或其他車輛，都沒有裝備能夠接收精確資料的軍用接收機。

但訊息已經傳出去了。商店裡已有的效能較低的民用接收機，可以以足夠的精度測量衛星訊號。因此，當為漁民和度假的船民製作的導航裝備大量應用於軍事基地、營地和機場時，步兵用他們的裝備藏匿手持接收機，或者把更大的接收機固定在他們的悍馬車上 （圖1） ，裝甲部隊的士兵將接收機安裝在坦克上，直升機飛行員將接收機安裝在駕駛艙的兩側。

圖1 由他們的家人送到美國駐中東部隊的民用GPS接收機，如1991 年麥哲倫NAV 1000（a）和裝在軍用車輛上的Trimble Trimpack（b），在沙漠風暴戰役中提供了導航。來源：The Science Museum (CC0)；US Army (public domain)

全球定位系統 （GPS） 在全部開發完成之前就已經十分具有價值並且應用廣泛，這也許暗示了GPS在不久後會對人類社會產生變革性的影響，並在居民生活中起到核心作用。

20世紀80年代到90年代早期，在GPS星座完成的初期，歷史上第一次，世界各地擁有GPS接收機的人，即使是在天空中翱翔、登上地球最高的山峰，或在海風中揚起航帆時，都可以立即知道他們在哪裡，確切的時間是什麼。 現在，GPS衛星在全球範圍內每秒都會傳輸高解析度、高精度的位置和定時資料，從而可以在世界各地進行無數次精確導航、測量、車輛控制和同步操作。

GPS之所以能在現代工程技術成就中脫穎而出，是因為 它是第一個能夠為所有使用無線電接收機的人提供簡單、基本並且實用的確切位置。 在人類存在的歷史程序中，人們始終努力尋找可靠的手段來獲得這個資訊，例如，從前從景觀或海景的特徵或標記、恆星或其他天體的景象以及地圖上獲取資訊，現在GPS已經成為通用的、全球的、可移動的、可靠的、高度準確的技術，並且可以隨時免費地為地球上的任何人提供想要的資訊。

GPS的另一個影響同樣重要，即 它可在世界範圍內發出納秒精度的時間訊號， 這些訊號同步了大量的金融交易、通訊、電力、控制訊號和許多其他資料流。資料流和測量已經成為全球商業、電網、陸地、海上、空運和海運、軍事演習、網際網路交通以及許多其他活動和服務的關鍵。

本文敘述了從20世紀50年代末起GPS的發明和發展歷史，當時蘇聯發射了第一顆人造衛星斯普特尼克 1號。在這次事件的推動下，美國太空先驅進行了一些研究，他們發現通過對已知太空位置的軌道衛星進行距離測量可以極其精確地計算觀測者在地球上的位置。在工程師、科學家和國防承包商的推動下，起初極不情願的美國軍方轉而開始努力實現這種定位能力，並說服美國海軍 （USN） 和美國空軍 （USAF） 開展研發各種專案。

這些努力推動了世界上第一個 （功能有限的） 全球衛星導航系統的發射，即USN的“Transit”。GPS產生於 USAF的一個計劃 （當時是機密的，後來被解密了） ，該計劃在先前的Transit和其他專案的進展上進行了擴充，但也在測距和通訊訊號、太空原子鐘、衛星軌道預測、航天器壽命和使用者接收機方面進行了關鍵性的創新。

1991年的海灣戰爭證明了GPS的軍事價值，此後 GPS作為一個由24顆衛星加上零部件組成的星座於1995 年開始全面執行。25年之後，又有三個全球導航衛星系統 （GNSS） 加入了太空GPS，其中一個在去年 （2020年） 開始全面執行，第二個預計在2022年全面執行，所有這些系統都以GPS為模式，能夠提供相同的基本服務。

自 20世紀80年代初以來，GPS在支援和維持普適的變革性技術方面持續發揮主導作用，其在航海、交通、通訊、農業、工業、科學、金融以及與現代社會相關的每個方面都推動了民用應用的激增。與它的姐妹星座一起，這一工程成就進一步為目前新興的技術提供了必要的基礎，比如5G （使用GNSS訊號） ，並可能是想象不到的其他重大創新的重要前提。

二、專案概況

（一）協調人類生活

截至2021年1月，目前組成GPS的官方31顆執行衛星 （比標稱的24顆最小星座多7顆，還有額外的“退役”衛星可以重新啟動） 在20200 km的高度 （圖2） 連續環繞地球，並將其無線電訊號傳送到地表。

在那裡，世界各地數十億的接收者通過手機和許多其他裝置可以鎖定來自GPS衛星的訊號，以及來自俄羅斯、中國和歐盟 （EU） 等姐妹導航星座的越來越多的訊號。 GNSS泛指任何一個覆蓋整個地球的系統。 印度和日本部署了區域系統，以補充GNSS網路提供的覆蓋範圍。 所有這些系統共同構成了世界衛星定位、導航和時間 （PNT） 基礎設施。

圖2 24顆（最小）GPS衛星追蹤軌道設計在地球周圍空間和時間上均勻分佈，以確保從地球上任何地方任何時間都能同時觀測4個或更多的航天器。該系統在全球傳輸位置和定時資料，從而能夠使精確測量位置和納秒同步。自1995年以來，GPS是第一個提供這些功能的GNSS；如今，另外三個以GPS為模型的GNSS加入太空。來源：National Air and Space Museum, Smithsonian Institution (public domain)

這些PNT衛星提供的資料可供室外幾乎任何地方和室內輕度遮蔽位置的無線電接收機訪問，這有助於確保無數關鍵的計算機化工具的正確操作。手機和個人電腦需要使用谷歌地圖或Waze的位置資料，以及協調微博、Facebook、TikTok和其他娛樂、電子支付、社交媒體、遊戲、銀行等應用程式以及無數網站、電話運營商和網際網路服務的時間資料。

除了指導和監控汽車司機、卡車車隊、飛機飛行員和船長外，該系統還可以在全世界持續同步、傳送和實時追蹤 （根據需要） 數十億的日常資料傳輸。如果沒有PNT訊號，金融交易、電網電流的分佈、行動電話以及大量由數字驅動的其他人類活動就不可能正常進行。

此外，該系統能在軍事上起到作用，武裝部隊依靠PNT訊號來協調士兵和武器，精確瞄準火炮、炸彈和導彈發射，以及營救被擊落的戰友。總的來說，GPS和其他GNSS資料的可用性 （不間斷、即時、免費、準確、可靠、普適） 已經成為地球上近80 億人口中大約一半人的日常生活基礎。

“所有這些都使GPS成為一項革命性的技術”，退役的美國空軍上校Bradford W. Parkinson博士說，他領導了第一個6年 （1972—1978年） 的GPS專案。在此期間，該系統的設計變得具體化，Parkinson和他的同事們開始建造和發射現有系統的衛星。

本文主要參考Parkinson的研究，他將GPS技術描述為“隱形的”，以此形容它是如何安靜地促成和推動了如此巨大的變化。在人類歷史的大部分時間裡，我們很難準確地知道我們在哪裡，現在是什麼時候。“但現在我們只要拿出手機，馬上就能知道我們在哪裡，”Parkinson說，“不過，總的來說，大多數人都不知道GPS是如何工作的。”

（二）開創性

鑑於GPS是幾十年來的第一個GNSS，也是唯一實現和支援當今網路化、資料沉浸式世界的PNT基礎設施，它是最重要的現代工程成就之一。2003年，美國國家工程學院 （NAE） 將查爾斯·斯塔克·德雷珀獎 （該獎被許多工程界人士認為是該領域的諾貝爾獎） 授予Parkinson和該開創性系統的倡導者、航空航天公司 （Aerospace Corporation） 已故前總裁伊萬·格特，該公司作為國防承包商密切地參與了GPS的發明和發展。這一開創性的技術以及數百名工程師和其他參與開發的人也共同獲得了許多其他榮譽。

這些榮譽大多是因為GPS是一項重大工程成就而取得的，並沒有與發明者的動機和夢想、他們研究過程中克服的困難和挑戰，以及他們克服這些障礙的方法有關。這些榮譽是明智的事後反應，不同於從20世紀 60 年代初到1991年海灣戰爭中首次廣泛使用GPS時的懷疑和不感興趣。

衛星導航系統的想法起源於軍方 ： USN和馬里蘭州巴爾的摩市附近的約翰霍普金斯大學應用光學實驗室 （JHUAPL） 設計並建造了第一個全球衛星導航系統 Transit。雖然其能力受到某些原因的限制，但Transit還是取得了巨大的成功。

儘管如此，GPS作為比Transit更快、更準確、更普及、更通用的系統，其最終實現的可行性和軍事價值在美軍領導人的觀念中幾乎不存在。在第一個GPS星座的幾乎整個開發過程中，軍事指揮官基本上將這項技術視為對其預算的一種不必要的、不受歡迎的競爭。Parkinson說：“如果讓空軍自己動手，這個專案就會因為缺乏預算而終止。”

面對阿波羅計劃十年及之後的政治挑戰，人們對太空時代的興奮和好奇聚焦於月球上，一群有遠見的工程師為實現這項未經驗證的太空技術邁出了第一步。在這一過程中，他們取得了許多重要的技術進步，從將系統所有衛星的資訊編碼到單個射頻載波的方案中，到開發世界上第一個能抵抗輻射和溫度變化的微型原子鐘。這些和其他進步最終導致了一場隱形的革命，這些技術很容易被認為是理所應當的，但卻是我們日益實現數字化世界的關鍵所在。

（三）兩個“火花”

在1957年秋天，兩個“火花”在無意中同時點燃了其發明者和建設者對GPS目標的追求。其中之一是世界上第一顆人造衛星 （蘇聯的斯普特尼克1號） 的發射，它開啟了太空時代。另一個是在JHUAPL的非正式實驗，其靈感來自蘇聯航天器 （圖3） 。

圖3 （a）人造衛星1號的複製品展示了四個後掠天線，使蘇聯的先驅航天器（世界上第一顆人造衛星）在1957年10月發射後，能夠向幾乎所有的地球人居區域發射射頻脈衝。（b）右邊的模型顯示了衛星的內部，它以約29 000 km·h ^–1 （8100 m·s ^–1 ）的速度飛行，每96 min完整走過一次軌道。該衛星在太空執行21 d後電池耗盡，無線電脈衝停止發射。在軌道上執行三個月後，斯普特尼克1號於1958年1月4日重返地球大氣層時被燒燬。來源：National Aeronautics and Space Administration (NASA; pubic domain); Wikimedia Commons (CC0 1.0)

斯普特尼克1號於1957年10月4日星期五發射進入軌道。到接下來的星期一，兩位年輕的JHUAPL物理學家William Guier 和 George Weiffenbach用一個臨時的接收機裝置接收了衛星的無線電訊號。

當衛星接近時，他們開始測量其20 MHz和40 MHz無線電傳輸脈衝的多普勒頻移，然後衛星從他們身邊遠離，每一次都高高越過頭頂。他們發現自己可以粗略地從這些移動中測量航天器的速度和其他軌道資訊，這類似於交警通過雷達槍測量從車輛反射回來的光束頻率的變化，來測量經過車輛的速度。在接下來的幾個月裡，JHUAPL的研究人員和其他機構的同事致力於完善他們對斯普特尼克1號軌道路徑的估測。

隨著他們對軌道的估測越來越精確，實驗室主任 Frank McClure提出了一個問題，該問題改變了這個即興專案的研究方向。他想知道， 假設對斯普特尼克軌道的估測是正確的，那麼科學家根據其對該軌道的瞭解以及航天器與自身之間的訊號頻率來計算出他們自己在地球上的位置的準確度有多高。 “第一次模擬顯示了很高的準確性，這是難以置信的準確性！”Guier和Weiffenbach在幾年後的回憶中說道。McClure的問題指明瞭 GPS背後的本質含義：在太空中繞軌道執行的人造物體可以用來精確定位地球上的位置。

（四）Transit 衛星

McClure提出的問題不僅僅是出於求知慾。USN當時正在為其擁有核武器的北極星艦隊中的潛艇尋找一種可靠的方法，以精確定位它們的地理位置。

當McClure 和數學家Richard Kershner得知Guier和Weiffenbach的精確結果時，他們將McClure的頭腦風暴轉化為世界上第一個導航衛星陣列的設計。隨後，Kershner在JHUAPL 成立了一個新的航天部門，為USN製作原型，測試並建造了名為Transit的系統。當完全執行時，5~8顆衛星和備用衛星均在跨極地軌道上，提供全球覆蓋系統 （圖 4） 。Transit於1964年投入運營，幾年後，JHUAPL 將最後一批生產Transit衛星的製造工作移交給了美國無線電公司。

圖4 利用插圖描繪了USN的Transit導航系統中的前兩顆衛星——1-B （a）和2-A（b），後者的頂部搭載了美國海軍研究實驗室的一顆衛星進入太空；第三顆衛星3-A（c）在1960年11月29日發射後以800 km 的高度環繞地球執行。這顆0.91 m高、大約90 kg重的3-A型衛星搭載的衛星與2-A型衛星搭載的衛星類似。來源：Roger Simmons, National Archives (pubic domain)

利用Transit，一艘位於水面的潛艇能夠以比當時領先的地面無線電導航系統 （如Loran） 更高的精度來定位。 Transit定位是利用一顆衛星進行多普勒測量得出，需要等待10~16 min，直到該星座的一顆衛星能夠在潛艇位置的視野範圍內被探測到。

Transit具有一定的侷限性，它只提供了兩個維度的座標，沒有高度資訊，此外，除非使用者的速度被精確指定，否則它可能會嚴重錯誤地定位移動的使用者。儘管如此，該系統能在世界各地海洋的任意地點提供25m的定位，這在當時是非常準確的。從 1967年到1996年，它成功地為USN船隻和民用使用者提供導航幫助。

1962年左右，當USN和JHUAPL正在建立Transit 時，美國空軍啟動了一個名為 “621B” 的祕密專案，旨在研究和測試一個以東南亞為中心的區域衛星導航系統的概念。這個專案引起了一場軍種間的競爭，阻止了 GPS多年的發展。

美國空軍設想了一個比Transit更有能力的系統，它可以提供三維的、精確到幾米的瞬時定位。下一代系統還將提供同步到30 ns內的全球時間測量。這一增強的效能將使超聲速軍用噴氣式飛機的快速、反覆、途中定位變得可行，以指導在越南的精確空襲和其他行動，因為美國在越南的軍事參與愈加深入。雖然該系統最初的目的是隻提供東南亞地球同步軌道衛星的區域覆蓋範圍，但其規劃者也認為，它是邁向全球衛星導航網路的第一步 （該網路最終在30多年後由GPS實現） 。

從20世紀60年代初開始，航空航天公司的Ivan Getting提出了一種更快、更復雜的衛星導航系統的概念，該系統可以為使用者提供五角大樓高階官員的三維定位。在美國空軍的資助下，航空航天公司為621B專案進行了大約90項探索性衛星導航研究，包括公司兩位頂級太空系統工程師James Woodford和Hideyoshi Nakamura 在1964—1966年間的分析。在這項非保密的工作中， James Woodford和Hideyoshi Nakamura探索了十幾個不同的系統概念，包括通訊型別、計時和計算裝置，以及衛星、使用者和地面站可能使用的方法。

當時還不清楚該系統的衛星及其使用者是否都需要原子鐘，原子鐘又大又重，而且價格十分昂貴。然而，在 James Woodford 和Hideyoshi Nakamura的試驗最好的場景中，通訊只能從衛星到使用者，利用智慧計算機，衛星的數量和分佈足以讓每一個使用者始終同時看到至少四顆衛星。要使這種全天候的“四視” （four-inview） 條件在全球範圍內應用，至少需要有24顆衛星連續執行。只有位於美國領土的主控站才能向航天器傳送任何訊號，如用於衛星位置和時間校準的訊號。

工程師們的工作表明，如果這樣一個系統被證明可行，那麼回報可能會很大。

首先，使用者的接收機可以在幾乎任何時間或地點，立即從衛星的連續傳播中提取到所需的四顆衛星 （或更多的衛星，以提高精度） 的確切時間和同步距離。這將是使用者計算精確的三維位置所需的唯一資訊 （圖5） 。

其次，該系統將只服務於“被動”使用者，這些使用者在設計上不需要傳輸任何可能導致敵人找到他們的電磁訊號。這樣一個系統可以為所有軍事資產 （包括作戰士兵、巡邏艇和戰術轟炸機） 提供全天候的無風險的位置和時間資訊。當所有使用者都是被動的，同時使用者數量變為無限大時，所有人都可以使用該服務。

圖5 GPS導航是如何工作的？手持接收機（右下角）追蹤來自至少四顆衛星訊號的到達時間，以確定其與這些衛星的距離。將這些距離計算與衛星所傳播的精確的衛星位置和定時校正資訊結合起來，使使用者裝置能夠計算其在地球上的位置。該系統包括觀測衛星軌道的跟蹤站，為向星座傳送必要更新和校正的指揮中心收集資料。這些更新和校正確保每顆衛星傳播精確的系統時間和經核實的觀測、軌道位置，保證它們作為空間參考點，以便在地面上精準地確定使用者位置。Schriever AFB：史瑞弗空軍基地。來源：Bruce Morser, National Air and Space Museum, Smithsonian Institution (public domain)

最後，Woodford和Nakamura得出結論，雖然衛星需要配備原子鐘 （或從地面獲取的準確時間） 才能達到所需的定時和定位精度，但使用者的接收機並不需要先進、笨重和昂貴的計時裝置。得益於四檢視衛星，地面儀器可以確定位置和準確的時間，且其計時器不會比在數位電子裝置中廣泛使用的小型、廉價的石英鐘更復雜。

（五）技術障礙

在JHUAPL的Transit系統全面啟動後，華盛頓特區附近的另一個美國軍事研究和開發機構——美國海軍研究實驗室 （NRL） ——的工程師和科學家由物理學家Roger L. Easton領導開始建造和測試天基導航系統的原型衛星，旨在超越Transit。除了精確的定位， 被稱為 Timation的NRL概念旨在為使用者提供精確的通用時間。

據Parkinson說，NRL的工作人員可能不知道仍然保密的美國空軍621B專案的細節，該計劃也打算提供一個高精度、可重複的時間訊號。雖然NRL和621B的概念在關鍵方面有所不同，但這兩個概念也有很大的共通之處。

到1969年，NRL為評估Timation建造併發射的一系列測試衛星中的第二顆已經為固定 （非移動） 位置的使用者展示了約60 m的位置精度，該精確度很高，但沒有超過Transit的精度。與此同時，美國空軍在1972年任命了一名621B專業專案的新負責人：Bradford Parkinson。

當時，Parkinson是一位年輕的上校，負責美國空軍彈道導彈再入計劃的工程設計，他的資歷引起了一位想支援陷入困境的621B專案的將軍的關注。Parkinson曾在越南執行戰鬥任務，畢業於斯坦福大學，獲得航天工程博士學位，並擔任美國空軍學院航天系主任。在擔任再入計劃的工程負責人之前，他在慣性導航方面工作了三年，並在麻省理工學院的德雷珀博士 （與NAE的德雷珀獎同名） 實驗室學習了兩年的慣性導航，德雷珀博士成功發明了第一個慣性導航系統。

作為621B專案的新領導，Parkinson招募了大約25 名擁有高階工程學位和工作經驗的美國空軍軍官，以此提高了完成該專案的能力。在討論其專案的全球導航概念的複雜技術過程中，Parkinson很快與物理學家Malcolm Currie博士結下不解之緣，後者是五角大樓新任命的高階文職人員。這是 GPS思想的奇遇。 Currie離開休斯飛機公司，成為國防研究和工程總監，這是美國國防部中第三大的職位。“我叫他教父，”Parkinson說，“如果五角大樓出了什麼問題，他會盡力為我們解決的。”

儘管美國空軍和海軍的競爭導致了美國軍方高層幾年未能決定發展何種專案，但1973年12月，由Currie 主持的一個由各軍種高階軍官組成的委員會批准了一個價值1.5億美元、由四顆衛星組成的621B概念的原理驗證演示。

作為Currie當時設想的新的合作安排的一部分，衛星導航工作成為DoD中第一個聯合軍種發展專案。該委員會設立了GPS聯合專案辦公室 （JPO） ，其在 Parkinson的領導下由美國空軍運作，將美國海軍的衛星導航行動計劃置於其管轄之下。來自其他軍事部門的官員 （包括海軍、陸軍、海軍陸戰隊和國防測繪局） 作為副專案經理分擔專案的管理。

為了設計、建造、發射和驗證其未完全發展的四顆衛星演示系統 （1979年完成） ，JPO面臨著數十個技術障礙，該系統最終成為一個擁有地面站和基本使用者裝置的功能齊全的全球星座 （1995年完成） 。在開始進行這些努力的時候，衛星和火箭還處於起步階段，計算機和其他電子裝置都過於笨重、緩慢且耗電，而原子鐘都太大、太脆弱，無法飛入太空。

為了克服需要解決的技術障礙，五項工程的進展成為GPS成功的關鍵：

①從衛星到地面使用者接收機的準確可靠的測距訊號；

②太空適用的原子鐘；

③穩健、使用期長的衛星；

④衛星軌道的精確預測；

⑤實際的使用者接收裝置。

三、突出的技術和創新

（一）資料傳輸

在所有的技術進步中，GPS先驅普遍認為該系統設計的開創性的測距訊號能在系統完成後25年保持不變，是對GPS的成功實施及整體效能、多功能性和有效性的最大貢獻。Woodford和Nakamura為他們的評估奠定了基礎，即四視星座的被動使用者不需要龐大、昂貴的原子鐘。這個概念要求每顆衛星不僅傳輸自己的軌道資訊和位置座標，還傳輸系統時間、航天器的發射機狀態、電離層延遲模型，甚至是星座中所有其他執行的姐妹衛星的軌道和位置細節等。

然而，連續傳播只能以微弱的資料速率傳輸所有資訊，以確保有足夠的功率用於關鍵測距訊號。由於GPS 預算有限，JPO最初選擇使用翻新的洲際彈道導彈進行衛星發射，這節省了數百萬美元。那些成本相對較低的 Atlas-F助推器的推力能力限制了每個衛星的發射重量，因此也限制了其太陽電池陣的大小，並最終限制了可用的發射機功率。GPS開發人員只能為地球提供可靠的一億億分之一瓦特的訊號強度。因此，該系統的規格保證接收機的功率不超過10–16 W，而衛星利用其有限的功率，以每秒50 bits的速度傳輸資料。

每顆GPS衛星將通過調製兩個高頻載波訊號 （1.2276 GHz和1.57542 GHz） 向用戶連續傳輸其資訊。早期Transit系統的JHUAPL設計者和建造者率先使用了這種“雙頻率”方法，以直接測量通過電離層的衛星訊號的頻率相關延遲。

“幸運的是，延遲與載波訊號頻率的平方成反比，”科羅拉多大學博爾德分校的GNSS專家、航空航天工程科學教授Penny Axelrad說，“通過在兩個或三個不同頻率上接收訊號，GPS接收機可以很容易地糾正這種效應。”當今智慧手機中廉價的GPS晶片也可以執行類似的解決方案。以更多的頻率發射會消耗衛星寶貴的能量，但這項技術支援獨立的測距訊號，並使使用者能夠有效、精確地計算到星座衛星的距離，從而非常精確地定位。

在20世紀60年代末和70年代，電子電路正從類比電子技術向低功耗、緊湊、長壽命的數字元件過渡，最終演變為今天的積體電路，使計算得到了巨大的改進。由數學家和電腦科學家在內的創新團體發現了數字訊號的新處理能力，並將其應用於通訊、感測、控制系統和其他領域。在621B計劃的範圍內，當最初的四顆衛星演示獲得批准時，這些無線電測距技術的硬體演示模擬已經在新墨西哥沙漠進行 （下文將進一步說明） 。

為了滿足不斷髮展的GPS的工作需求，來自行業的內部工程師和數字訊號處理專家開始專注於一種被稱為分碼多重進接 （CDMA） 的通訊協議。通過為每個衛星分配一個不同的程式碼，CDMA協議使所有衛星能夠在相同的頻率上傳播，而不會造成相互干擾或資料丟失。同時，所有的使用者接收機都可以通過準確地測量四顆或更多顆衛星的到達時間，進行同步測距。

在1971—1973年新墨西哥州白沙導彈靶場進行的基於CDMA的方案的現場測試中，621B專案團隊部署了兩種由電子工業公司建造的CDMA接收機。這些接收機檢測到並處理了來自四個“偽衛星”的訊號，這些“偽衛星”是模擬GPS衛星傳播的地面發射機。

然後，工程師將計算出的位置與鐳射器測量儀器的實際位置進行了比較。在三個維度上，計算出的位置和鐳射精確定位的位置都在5 m以內 （圓概率誤差） 。這些發現使四顆衛星演示獲得了批准，解決了五角大樓一些人的疑慮，並證實了一個由真正的四顆衛星組成的全球系統是可行的，該系統具有四檢視可訪問性和CDMA，能夠提供JPO所聲稱的位置準確度。

（二）沿軌道執行的原子鐘

20世紀70年代末，該專案的工程師已經開始為關鍵的四顆衛星測試做準備，但GPS所需的時鐘技術還未實現。雖然四視衛星條件消除了在每個GPS接收機中安裝原子鐘的需要，但這種好處是有代價的。整個星座需要將它的訊號同步到納秒級 （十億分之一秒） 。雖然這可以通過GPS地面控制網路的連續訊號來實現，但更好的解決方案是在每個GPS衛星上安裝非常穩定的“飛輪” （flywheel） 時鐘，並每天進行一次或兩次校準。

在20世紀50年代首次開發使用銫原子束的商業原子鐘可以滿足GPS的計時規範。遺憾的是，太空飛行的溫度波動會損害這些為實驗室使用而建造的時鐘的準確性。此外，GPS軌道區域的強烈電離層輻射將會在不到 1 min內殺死沒有保護的人類，也會迅速摧毀時鐘。而且，這些複雜的儀器會佔用太多的空間，且重量太大，無法滿足衛星的體積和重量要求。所以GPS需要更小的時鐘，並且不受極端太空環境的影響。

Woodford和Nakamura 1966年的報告鼓勵美國空軍發起一個完成上述目標的開發計劃，而在USN的Easton 小組已經開始了這項工作。在測試衛星上，NRL評估位置精度和估算系統的其他方面，該實驗室包括簡單石英鐘的實驗：德國慕尼黑的小公司Efratom Elektronik （後來在加利福尼亞開設了辦事處） 製造的新型小型銣鍾實驗；馬薩諸塞州丹佛斯的小型承包商Frequency and Time Systems （FTS） 公司製作的緊湊型銫鐘 （圖 6） 。

圖6（a）由德國Efratom Elektronik公司與Rockwell國際公司合作設計製造的輕型、緊湊、低功率的銣鍾，使第一個四衛星GPS示範專案取得了里程碑式的發展。（b）第一個五衛星GPS攜帶了這樣一個緊湊的、太空加固的銫鐘，由Danvers、MA、承包商Frequency and Time Systems公司建造。來源：Dane A. Penland，National Air and Space Museum, Smithsonian Institution (public domain)

NRL於1967年開始了長達十年的太空時鐘試驗，衛星三維方向 （姿態） 的不穩定性始終困擾著測試。這些問題包括：變化在哪裡；從什麼角度變化；什麼時候陽光會最強烈地照射航天器，使內部溫度變化，導致石英鐘即使在有了機載溫度補償的情況下頻率也會發生變化。這些試驗結果表明，簡單的石英裝置不能夠滿足 GPS的要求。同時，原子鐘還沒有為應對溫度、輻射或機械應力的極端情況進行加固，這些不穩定的條件使試驗沒有結果。

當時由一個大公司製造的典型銣鍾高約30 cm，寬 48 cm，安裝在工業電子機架上。相反，Efratom公司製造的重量輕、緊湊、低功率的銣鐘被固定在一個邊長10 cm的立方體中，它封裝了銣原子和其他氣體的蒸氣作為其定時源。

到1974年，NRL在對一對銣鍾進行現場評估得出了不明確的結果時，四顆衛星示範專案已經獲得批准，JPO已聘請加利福尼亞州錫爾比奇的Rockwell國際公司建造了第一顆GPS衛星。隨著 1978 年發射日期的確定，Rockwell直接與Efratom合作，生產銣鐘的太空加固版本。與此同時，FTS正在開發一種經過太空加固的銫束鍾原型，1977 年NRL將其放在所發射的另一顆衛星上進行了測試，但結果也不確定，到其電源在評估12 h後耗盡過程中，只有一個時鐘良好工作。

儘管如此，微型的、太空加固的、Efratom/Rockwell銣鍾滿足了穩定性和穩健性的要求，使得第一個四衛星GPS示範專案實現了里程碑式的發展。“原子鐘，一個小小的原子鐘，就像GPS一樣，是一個改變世界的大鐘”，Hugo Fruehauf說道，他是當時Rockwell的 GPS首席工程師。由於其德語非常流利，Fruehauf與 Efratom合作開發者密切合作。在1980年發射的第五顆 GPS衛星上，一個太空加固的FTS銫鐘終於在太空中取得了成功，這是第一個具有太空價值的銫鐘。實驗證明，它與使GPS能夠滿足其所有設計目標的銣鍾一樣穩定。

儘管新制造的原子鐘具有極高的精度和穩定性，但衛星系統仍然必須彌補由於相對論效應而造成的不可避免的時間差異。正如廣義相對論所預測的那樣，由於軌道時鐘在海拔22 200 km處的重力場較弱，太空時鐘比控制站和地球上的使用者接收機中的地面時鐘執行得更快。如果對這種速率差異沒有采取任何措施，衛星的時鐘將超過地面時鐘約45 μs·d ^–1 。

此外，根據狹義相對論，太空時鐘的高速擴大了它們的時間間隔，與地面計時器相比，它們的“滴答”聲變慢了。這將時間的不匹配度減少到了約38.6 μs·d ^–1 。為了消除剩餘的差異，GPS操作員將發射前衛星上原子鐘10 MHz的頻率稍微降低了大約0.006 Hz。如果沒有這種調整，GPS的定位誤差將超出約10 km·d ^–1 ，且這一誤差只會隨著時間的推移而增長。

（三）壽命較長的衛星

由於替代衛星的建造和發射成本很高，因此短壽命的衛星可能會使太空計劃破產。例如，蘇聯的第一個 GLONASS衛星平均壽命只有2~3年。這一壽命時長使得每年都需要發射8~12顆新衛星，以保持GLONASS的 24衛星星座的全面執行。

Rockwell國際公司從一開始就針對GPS衛星的長壽命採取了質量控制措施，包括去除最容易發生故障的部件，減少使用效能不佳的部件，在飛行中對大範圍部件進行監控，以及對裝置故障進行分析。這些努力取得了成果，最初的10顆GPS衛星的平均壽命為7.6年 （圖7） 。

在GPS II時代，衛星平均壽命達到10~12年，每年需要更換2~3次。最新的GPS III衛星於2018年年底開始發射，其預計壽命為15年，截至2020年11月將有4顆衛星進入軌道。

圖7 1978年，工程師在發射前對第三個GPS衛星原型進行了測試。來源：The Aerospace Corporation (public domain)

（四）精準預測

設計Transit系統的工程師和科學家開創了預測其衛星軌道方向的先進技術。這是Transit成功發展的關鍵需求，且對GPS的目標有更嚴格的要求。例如，導航衛星的行星環繞路徑可以使它們從活躍的地面站消失數小時，這些地面站將更新後的座標上傳到星座。

以Transit 為例，隨著軌道衛星名單被擠滿，Guier和JHUAPL的其他科學家利用對航天器軌跡的觀測來完善地球的引力模型。然後，他們將改進後的資料輸入衛星軌道並進行地面位置計算。雖然早期Transit系統的定位精度偏差高達1 km，但隨著模型的改進，誤差幅度下降到99 m，這明顯優於該專案規定的185 m精度的目標。隨著程式發展，靜態水平誤差可以下降到25 m （Transit未提供垂直位置） 。

在Transit成功的基礎上，GPS開發人員優化了軌道模型，用於預測星曆 （軌跡） ，這些星曆 （軌跡） 解釋了行星的引力場和潮汐、太陽和地球輻射以及行星自旋軸的漂移位置，其變化可達15 m左右。此外，為實現 GPS衛星時間同步而開發的太空加固時鐘，進一步提高了軌道預測精度。

為了使GPS能夠在1.45×10 ⁸ m軌道行程中提供預期的位置精度，其衛星軌道預測的基礎模型對接收機的衛星測距可以增加不超過幾米的誤差。由於GPS還需要比Transit系統更快地重新計算其模型，其開發團隊必須設計一種新的數學方法，以接近實時生成預期的軌道路徑。

（五）授權使用者使用許可權

一場令人心碎的悲劇，以及後來的第一次伊拉克戰爭，使GPS企業迎來了5個關鍵工程挑戰中的最後一個：開發廉價的使用者裝置，以提供對PNT資料的快速訪問。這一進步將推動該項技術最終被全世界軍方和平民所接受和採用。

這起悲劇發生在1983年，當時蘇聯將韓國的偏離航線的客機007誤認為是間諜機並將其擊落，導致機上269 人全部遇難。作為對此事的迴應，美國總統羅納德·里根承諾GPS民用訊號可供全球使用。雖然GPS民用訊號從一開始就可以免費獲取，但當時它們的獲取並沒有得到保障。早期的GPS系統已經實現了“選擇可用性技術”，這意味著它傳播了兩個不同的訊號： 一個用於軍事；另一個用於民用。 儘管任何人都可以獲取準確度較低的民用訊號，但只有美國軍隊才能獲取準確度最高的訊號 （以確保其在戰鬥中的優勢） 。

不過，民用訊號的獲取將足以避免像007航班那樣的嚴重導航事故。里根還承諾，如果系統關閉，美方將至少提前10年發出系統關閉的通知。顯然，里根的承諾讓電子產品公司對GPS 的未來前景感到放心。電子產品公司開始開發和製造更多的GPS接收機，然而這些裝置，特別是為軍隊設計的，最初都是昂貴的專業產品，這也降低了它們的使用率。

JPO曾試圖通過簽訂合同來滿足軍隊的需求，希望能建立一系列軍事接收機標準件，以滿足一系列不同的目標、尺寸和價格需求。程式設計和建立的9種使用者儀器數量有限，往往是笨重的，且需要大功率的電力 （圖 8） 。最大的裝置是一個比人高的大型軍用控制檯，它是用來安裝在大型飛機上的，它具有5個頻道，能讓兩名操作員坐在一排有5人寬的電子機架前。這個裝置證明了GPS可以不受距離其下方几千英尺的敵軍干擾器 （1 kW） 的影響而正常執行。較小的裝置都有一個較粗的圓柱天線，包括一個11 kg的“行動式”的接收裝置，掛在士兵的背上，另一個版本安裝在軍用吉普車上，以及一個時鐘收音機大小的民用樣機。

圖8 （a）1977年由Rockwell Collins公司製造的用於飛機上的第一臺軍用GPS五通道接收機。該裝置重量超過120 kg，安裝在USAF裝置飛行測試板上。（b）兩名士兵於1978年測試了約11 kg的GPS“行動式”接收裝置的早期型號，每個裝置都有一個較粗的圓柱天線。（c）2017年最先進的 GPS晶片。來源：Rockwell Collins (public domain)；USAF (public domain)；Wikimedia Commons (CC0 1.0)

在沙漠風暴行動開始之前，由於缺少軍用級別的接收機，國防部開始大量訂購民用接收機，這補充了由士兵的家人和朋友寄往中東的接收機的數量。美國空軍的 GPS操作人員也暫時關閉了選擇可用性技術，使民用訊號降級，從而允許部隊完全精確地使用民用裝備。最終，美國武裝部隊在沙漠風暴中使用了近90%的民用接收機；DoD從Trimble Naviga購買了10 000臺，從Magellan 系統購買了3000臺。

當1991年1月中旬戰鬥開始時，電視前的觀眾看到了美方利用發射精度極高的武器摧毀了伊拉克空軍。GPS的廣泛使用也使美國軍隊能夠成功在單調的沙漠中以毀滅性的準確性瞄準敵人的炮兵部隊。PNT通過在戰鬥中表現出的巨大價值 （GPS開發者曾承諾的） 最終說服了曾經不願參與該系統建立的軍事部門。

（六）困難阻礙

在1979年6月批准建造整個衛星星座之後，直到沙漠風暴之前，人們對衛星導航的擔憂和誤解以及對其軍事價值的懷疑一直存在。事實上，美國國防部長辦公室取消了1980—1982年的GPS預算。雖然預算很快又恢復了，但其在1981—1986財政年度預算中削減了30%，即 5億美元。

這次資金切斷使目標星座的大小減少了四分之一，變成了18顆衛星加上3顆備用衛星。它還減緩了更先進的下一代“Block II”衛星的發展。到1988年，由於擔心18顆衛星系統不能正常工作，DoD將該星座的衛星數量恢復到24顆，其中包括3顆備用衛星。“Block II”的衛星計劃很快也恢復了。

儘管如此，預算問題仍持續減緩GPS的發展，發展中存在了新的技術和管理問題，並延長了整個GPS系統的建設時間週期。“我們按照Mal Currie的要求，開發了新的完整系統，與測試專案的預算相同。金錢一直是一個問題”，現在已經退役的美國空軍上校Gaylord Green 回憶說，他是一名導航工程師，在GPS開發的各個階段都發揮了重要作用。

Parkinson最初知道Green是斯坦福大學的研究生，後來Green在美國空軍的再入飛行器專案中為他工作，當Parkinson接管621B專案時，他邀請Green加入衛星導航專案。後來Green於1985—1988 年擔任GPS的專案主任。

儘管如此，GPS的發展還是遭受了一些挫折，這與美軍內部的競爭和預算問題無關。1986年的挑戰者號太空梭的發射災難使1979年分配給太空梭編隊的GPS衛星發射專案中斷。此後又花了兩年時間才重新使用Delta II火箭進行發射。

儘管如此，當其他軍事專案發現利用GPS完成自己的目標，並且支援增加導航系統的預算時，其專案仍可以從中受益。當USN需要一種方法在廣闊的海洋區域追蹤三叉戟導彈的發射測試時，Parkinson和James Spilker （數字通訊的先驅和GPS設計的主要貢獻者） 提出了一種使用GPS訊號來完成這項工作的方法。國防部接受這一建議，使演示階段的四衛星GPS專案的衛星數量增加了兩顆並從USN向 USAF專案轉移了6600萬美元。

美國的核裁軍計劃還通過在衛星上增加核爆炸感測器，增加了GPS的預算。為了幫助評估核打擊情況，這些感測器還監測了1968年《核不擴散條約》的遵守情況。根據Green的說法，增加這些感測器不僅僅是增加了資金，他說：“在整個GPS系統獲得最終批准之前，預算分析得出的結論是，它不能滿足軍事需要。但核探測系統能夠滿足軍事需要，從而使GPS計劃獲得批准。”

（七）正常執行

1995年7月，就在沙漠風暴幾年後，美國空軍宣佈全面執行GPS，此時距離1973年批准的概念性四顆衛星演示已經過去了22年。同年，俄羅斯通過了GLONASS衛星系統，並宣佈24衛星陣列可以完全投入使用 （僅供軍事使用） 。但該星座迅速失修，到2002年就縮小到7顆衛星，於是俄羅斯對其進行了修復，使該系統能夠再次全面投入執行。

現在，經過 25年的運營，GPS除了GLONASS之外還有其他公司。 中國完成了名為北斗的GNSS，於2020年6月23日發射，並將該星座的規模擴大到全部衛星。 歐盟的伽利略系統建設接近尾聲，預計到2022年能夠完全執行，其擁有24顆活動衛星和6顆備用衛星。得克薩斯大學奧斯汀分校GNSS專家及航空航天工程和工程力學副教授Todd Humphrey說：“中國的系統和伽利略系統相當於GPS，但就訊號質量或定位而言，GLONASS從來都不是GPS 的競爭對手。”他是該大學無線電導航實驗室的負責人。

1978年從美國空軍退休的Parkinson說，如果美國空軍支援衛星導航的建設並支援GPS專案，該系統在1985 年前後就能完成，而不需要延後到1995年。他進入科羅拉多州柯林斯堡的科羅拉多州立大學擔任教授，然後成為Rockwell公司的副主席，之後成為馬薩諸塞州劍橋 Intermetrics集團的副總裁。由於他的血液中流淌著GPS 的基因，他夢想著衛星系統的民用應用能夠在軍事機構中慢慢形成，將其中許多想法變成現實 （圖9） 。

圖9（a）汽車導航系統；（b）半自動作物噴灑農藥；（c）大壩故障自動監測；（d）廣域車輛監測。這些草圖是由Bradford Parkinson教授在1980年和1981年繪製的，他在1972—1978年擔任GPS專案的第一位主任，領導了GPS的倡導、設計和開發。這些草圖概述了Parkinson當時設想的GPS 的民用應用，包括現在無處不在的汽車和其他車輛的GPS導航系統，如今用手機就可以執行，那些印刷的道路地圖基本已經過時了。e.t.a.：預計到達時間。來源：Bradford Parkinson，已獲得許可

1984年，Parkinson回到斯坦福大學，成為航空航天專業的教授。在20世紀90年代，除了其他成就外，他還領導了一個研究小組，設計了一系列高精度民用GPS （其他許多學術機構和私人公司的數百名工程師也是如此） 。例如，普通的GPS訊號為航空公司和其他民用航空公司提供精確的遠端導航，但在黑暗或惡劣天氣下引導飛機進入跑道需要更高精度的訊號。

在使用GPS系統之前，許多機場都用複雜而昂貴的儀器著陸系統來提供導航。由美國聯邦航空管理局 （FAA） 贊助，Parkinson、同事和學生一起幫助開發了廣域增強系統 （WAAS） ，現在其被廣泛應用於美國、加拿大和墨西哥各地 （其他國家已經在其他地區部署了類似的系統） 。WAAS在傳播資訊時，會確保訊號的完整性並對自然誤差進行小幅度修正，並在6 s內通知使用者有故障的衛星訊號；其修正定位精度僅有幾米誤差。

在與斯坦福大學Parkinson研究小組的另一次合作中，美國聯邦航空局於1992年向聯合航空公司租借了一架波音737，以進行著陸實驗。基於GPS的位置感測技術，即差分GPS，使飛機能夠以釐米的精度測量自己的位置和姿態，使它的飛行過程達到一個更好的狀態。僅使用GPS的測量，Parkinson團隊演示了110次“盲”著陸 （由自動駕駛儀執行，但由飛行員監控） 。

今天，聯邦航空局正在授權使用GPS進行自動化程度較低 （第一類） 的精度著陸，並承諾制定專門用於GPS的規範，第三類著陸是可以“盲”著陸的。該機構還將通過衛星導航確定飛機位置的技術作為其正在進行的美國空中交通管制系統 （NextGen） 現代化的核心內容。這種大規模升級始於21世紀初，並計劃至少持續到2025年。

同樣在20世紀90年代，Parkinson的斯坦福專案追求另一種純地面、高精度的GPS應用，得到了美國農業裝置公司John Deere的財政支援和一臺拖拉機。學生研究小組改裝了拖拉機，增加了基於GPS的導航和控制，並在1996年創造出了世界上第一臺全自動農用拖拉機。該控制系統在拖拉機速度為5 m·s–1時，實現了2.54 cm 的無人駕駛轉向，並在每個維度對車輛進行了單自由度的姿態測量。

這項研究使人們在農業中開始廣泛採用 GPS的精確定位，有助於農民通過更快、更有效的種植和收穫方式來提高作物產量和降低成本 （圖10） 。精確地施用化肥和農藥也可以減少種植作物對環境的影響。全球以GPS為基礎的自動化農業年銷售額已超過10億美元。

圖10（a）安裝在John Deere 8345 RT拖拉機的雨篷前面的Startfire （D）GPS接收機引導衛星輔助轉向系統。（b）在精確GPS的指導下，Precision Maxes（Lee’s Summit, Mo, USA）在美國馬薩諸塞州桑德蘭建立了這個玉米迷宮。來源：bdk, Wikimedia Commons (CCBYSA3.0)；Precision Mazes (public domain)

科學家和測量人員開發了新的測量技術以提高GPS 系統的標稱精度，這需要更多的時間和更復雜的設定，但可以使用毫米精度的GPS進行測量，其精度比正常的 GPS定位精度高1000倍。這種精確的GPS測量有助於從地震學、滑坡運動和板塊構造到大氣和其他環境研究等領域的科學研究 （圖11） 。GNSS的精確測量和制導也已推廣到採礦和快速增加的無人機的控制。同時，普通GPS的應用範圍不斷擴大，包括各種應急響應、救援、野生動物跟蹤、邊境執法、捕魚管制和天氣預報等。

圖11（a）2005年，史密森學會的一名研究人員使用高精度GPS裝置在美國加利福尼亞州死亡谷國家公園的伊貝克斯沙丘上測量了一個沙丘。（b）美國地質調查局（USGS）的一個團隊建立了一個行動式“蜘蛛”儀器包，其中包含高精度GPS裝置，以監測2014年3月美國華盛頓西北部山體滑坡的移動情況。來源：Jim Zimbelman, National Air and Space Museum, Smithsonian Institution (public domain)；Jonathan Godt, USGS (public domain)

2000年，GPS對全世界普通民眾的實用性有了巨大的提升。美國總統比爾·克林頓 （Bill Clinton） 應商業部門的長期呼籲，下令停止選擇可用性技術，結束了民用訊號的退化 （圖12） 。

有了這一決定以及WAAS 修正的應用，手機可以在晴天下以2~3 m的精度提供街道導航。事實上，“選擇可用性是不正確的行為，它能不讓任何人獲得完全的精度，”Parkinson說， “具有諷刺意味的是，美國海岸警衛隊正在釋出一個全國性的系統，該系統進行傳播誤差修正，以消除DoD故意犯下的錯誤。”

圖12 這兩個圖比較了GPS有選擇可用性（SA）和沒有選擇可用性的準確性，兩個圖分別繪製了24 h的GPS資料——2000年5 月2日停止 SA的前一天（a）和停止後的第二天（b）。左邊有SA的點跡顯示精度在約45 m半徑內；右邊沒有SA的點跡顯示精度在約6 m半徑內。來源：阿什利·霍尼什，國家航空航天博物館，Ashley Hornish, National Air and Space Museum, Smithsonian Institution (public domain)

GPS接收機的尺寸、重量、功耗和成本都在急劇下降，這也讓它們的應用出現了巨大的飛躍。技術人員根據當時的技術水平，從離散的元件中組裝出了早期的大型儀器，因為那時小型、輕便的積體電路技術還處於起步階段。

但在從那之後的大約10年後，這種新型的電路製造方法已經成熟到足以將其迅速轉變為更小、更節能、更便宜、功能更強的GPS接收機。第一款GPS接收機雖然試圖達到相對使用者友好的價格和便攜性，但其價格仍超過10萬美元，重約50 kg，而今天的製造商以不到兩美元的價格就能購買到智慧手機使用的小型GPS 晶片。

當GPS在沙漠風暴以及隨後的索馬利亞、波斯尼亞和其他地方進行的軍事行動都取得成功後，美國軍方最終接受了其衛星導航系統。“突然，空軍有了信仰。他們意識到了他們所擁有的東西”，Parkinson說。從那時起，開發GPS的航天工程師被嘲笑為“Space weenies”的思想，成為了DoD武器系統、任務和演習的一個重要組成部分。在2020財政年度報告中，美國聯邦政府對GPS軍事和民用應用的年度撥款總額接近18億美元。

四、結語

（一）不可或缺

為維護和改進GPS系統所提供的資金使GPS能夠匹配迅速變化的技術。隨著舊衛星的退役，美國不斷用升級過的衛星取代星座中的舊衛星 （圖13） 。美國空軍於 2020年11月5日發射了該系統的第四個GPS III航天器04 （圖14） 。這些最新的太空飛行器正在逐漸取代第二代 （“II”） 衛星，包括1989—2016年先後發射的5個不同且更先進的系列子代衛星。對衛星的改進包括更大的尺寸和功率、更新的電子和測距碼，以及更多的傳輸頻率。

圖13 藝術家繪製的第二代GPS Block IIA衛星圖；這些衛星在1989— 1997年發射，現在都已退役，最後一顆衛星在2019年退役。目前的 GPS星座大部分由最近的第二代GPS衛星系列組成，截至2020年8月，太空中仍有29顆（10顆IIR、7顆IIR-M和12顆IIF）在執行。來源：GPS.gov (public domaion)

圖14 自2018年以來，截至2020年11月，已有4顆第三代（GPS III）衛星加入了GPS星座。（a）一艘太空X獵鷹9號火箭運載著第三顆GPS III衛星SV 03，於2020年6月從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍站升空。（b）藝術家繪製的GPS III衛星圖；這些最新一代衛星的預期壽命為 15 年。來源：SpaceX (public domaion)；GPS.gov (public domaion)

然而，隨著GPS系統的價值和關鍵應用數量的增加，GPS受到了越來越頻繁的攻擊，這些攻擊被歸類為欺騙或干擾。欺騙者用誤導性的資料向GPS接收機發送虛假訊號來欺騙使用者，而干擾者在相同頻率範圍內用強大的、無意義的訊號覆蓋正常訊號。為了應對這種威脅，美國空軍已經更新了帶有附加測距訊號和特定頻率的GPS，接收機和天線的製造商也應用了更強大的技術來檢測欺騙干擾和抵抗干擾。

人們在各種日常活動中日益依賴GNSS的基礎建設。美國政府最近發起的一項研究估計，在1984—2017年之間，美國通過GPS獲得了1.4萬億美元。該研究進一步詳細說明了系統中斷30天可能導致的後果，假設的故障也會影響其他GNSS網路——Parkinson認為這種可能性極小。

報告指出，失去GPS服務一個月可能會因為電信網路崩潰而造成大範圍的動盪。美國的農作物生產將會被中斷，因為美國農民已經廣泛使用了自動化拖拉機、收割機和其他依靠GPS資料來執行的精確移動裝置。再加上其他由GPS支援的服務的失效，這些影響及其後果將在短短30天的時間內對美國造成300 億~450億美元的經濟損失。

雖然至少從2004年起，美國曆屆總統政府的國會法案和指令就要求實施地面PNT 服務，以支援GPS/GNSS，但目前還沒有這樣的通用系統。然而，在航空運輸方面，聯邦航空局計劃繼續在美國各地執行一套最低限度的無線電導航地面站，以確保具有備用的飛行路徑和著陸制導，儘管其精度和高度低於GPS和其他GNSS。 美國總統於2020年2月12日釋出的一項行政命令再次要求政府機構制定基於非GNSS的 PNT服務的後備計劃。

幸運的是， GNSS星座及其所有後備衛星的增加大大降低了全球甚至部分PNT故障的可能性。 它還通過測量四顆以上衛星的距離來提高定位的精度和完整性。Parkinson評論說，在最近一次徒步到他家附近的加利福尼亞州山區的一座小山峰上，他看了看自己的手機，發現它收集了來自11顆衛星的資料。雖然美國聯邦通訊委員會最近才授權使用歐盟的伽利略系統，但GNSS晶片製造商已經將全球所有星座以及所有區域增強系統納入其最新一代晶片。

在今後幾十年中，GPS及其姐妹系統GNSS預計將繼續作為重要的基礎設施，用於幫助建立新的連線、服務和功能。

舉例來說，截至2020年2月，至少有34個國家已經開始部署5G，即下一代無線通訊。這種新技術承載資料下載速度可達每秒20 GB，比4G快數百倍。下一代無線通訊對於包括自動駕駛汽車和所謂的“智慧城市”在內的新技術至關重要。這些基於5G的新技術越來越依賴於GNSS星座提供的PNT訊號。

（二）時間線

表1概述了GPS和當前全球GNSS基礎設施的發展里程碑，從1957年10月發射Sputnik 1號到2020年完成第三個全球系統，即中國的北斗，以及即將完成的歐盟伽利略系統。

表1 GPS發展里程碑的時間線

（三）繼續服役

GPS持續為全人類服務。關於日常傳播的GPS訊號設計，Parkinson寫道：“截至2010年，大約95%的GPS 資訊經受住了考驗，不需要任何改變，這是對1975年設計了訊號結構的傑出工程師和科學家的偉大致敬，它已經持續了35年，卻幾乎不需要修改。”他是關於GPS起源的系列文章 （由兩部分組成） 的第一作者，該系列發表在2010年5月和6月的行業刊物GPS World上。

GPS為世界上許多目前占主導地位的技術提供了基礎設施，其高精確的位置和時間資訊使各種技術成為可能。星座的配置和基本工作方式從根本上促成了我們日益複雜的數字世界。特別是GPS能夠同時向無限數量的接收機進行傳播的能力，允許應用程式和使用者數量無限增長。這一工程成果經過了現代化和更新，但基本上沒有變化，它是導航、通訊、計算機網路、武器、科學研究、金融、交通和許多其他領域的無數先進應用的核心組成部分。

“革命還在繼續，”Parkinson 2020年1月在加利福尼亞州山景城的谷歌發表的演講中說，“驅動GPS的‘引擎’是工程學。電氣工程和電腦科學是其中的核心，但所有的工程學科都參與其中。”

（四）革命家——Bradford W. Parkinson

1972年末，美國空軍上校Parkinson接管了當時保密的GPS專案，領導了其設計和實施的早期和關鍵階段 （圖15） 。現在，Parkinson是位於加利福尼亞州帕洛阿爾託的斯坦福大學航空航天的名譽退休教授，但他在定位、導航和計時領域仍然非常活躍。1978年Parkinson 從美國空軍退役後，在學術界和工業界工作了幾年，然後成為了斯坦福大學的教員，領導了一個研究小組，主要開發一個不斷擴大的GPS應用陣列。

圖15（a）在這張20世紀70年代的照片中，美國空軍上校Bradford Parkinson（中）與航空航天公司的工程師Frank Butterfield（左）和美國海軍指揮官Bill Huston （右）討論GPS。（b）Bradford Parkinson 2016年在美國加利福尼亞州斯坦福大學任教，他仍擔任航空航天名譽教授。來源：The Aerospace Corporation (public domain); Courtesy of Brad Parkinson

在該專案投入使用25餘年之後，將自己稱作“革命家”的Parkinson回答了關於這一主要工程成就的問題。

WEISS：1962年，美國總統約翰·F.肯尼迪發表了一篇著名的演講，講述了民用航天機構美國國家航空航天局 （NASA） 在那十年中的探月計劃。美國軍方則在那段時間已經設計和建造了第一個衛星導航系統。這兩項成就標誌著美國太空時代的到來，那麼這兩個專案之間有聯絡嗎？

PARKINSON：NASA月球工作的重點是載人航天。NASA有自己的一組工程師、與之合作的公司，以及麻省理工學院的Draper實驗室為阿波羅計劃提供指導。我認識的Draper博士對衛星導航有著狂熱的興趣。因為這是太空中的訊號，不是獨立的，他說過，“人能生產出來東西，也能摧毀或破壞。”

雖然NASA從未參與過 GPS的開發、管理或技術研究，但也有一個巧合。我們的GPS衛星是由Rockwell國際公司製造的。Rockwell同時也在建造太空梭，它是阿波羅號的“直接繼承者”。太空梭和GPS有不同的部門，但如果GPS需要工程師來解決空氣動力學、熱力學或傳熱問題，也可以利用 Rockwell龐大的工程師隊伍，這不是因為他們擁有對太空梭的相關知識，而是因為他們瞭解通用技術的基礎知識。

WEISS：許多美國高階軍官，即使是在參與GPS專案的美國空軍中，也有人不想要衛星導航系統。GPS是如何在這種反對聲中倖存下來的呢？

PARKINSON：Malcolm Currie博士是一位擁有物理學博士學位的職員，他負責整個美國國防部的所有研發資金。1972年，Currie來到洛杉磯與我見面。一位招待 Currie的將軍回想，“我知道如何分配大約三個小時。我會把他送去見Parkinson。他很健談。”在我們討論的最後，一些神奇的事情發生了。Currie博士成為我們專案的擁護者，我們開始了直接且非正式的交流。

1978年，我們對四顆衛星演示系統進行了廣泛測試並證明其可行性，但是當我們實現了所有的目標時，空軍仍然不想資助它。但是五角大樓的領導層 （事實上是Currie博士） ，對此事進行了干預，從根本上迫使空軍為其提供資金。但是，空軍提供給我們的預算很低，不然GPS的全面運作可能比1995年至少提前十年。

WEISS：當軍方反對GPS專案的時候，是什麼讓你能夠繼續前進呢？

PARKINSON：當時的氣氛是令人絕望的。我很快就患上了嚴重的胃痛，因為我工作了很長時間，喝了太多的咖啡。1972年，作為該專案的新負責人，我幾乎把我手下所有的人都換掉了，不是因為他們不好，而是這個專案需要一群敬業、不屈不撓而且無私的人。於是我們就變成了這樣。我招聘的所有人都討厭失去。我們不能容忍不去這樣做，但在這方面我們勢單力薄。除了 Currie博士，我們沒有很多朋友。同事間的情誼是極端的。不管付出什麼代價，你都不能讓團隊失望。

到每天上午11:30左右，我的腦子裡都會有大量的問題。我的解決辦法是每天中午去跑步，至少跑四英里。而每到週五，我總是要跑十英里。當我回來的時候，我會精神煥發，積極向上，並想出新的行動方案。我一直是個跑步者，不僅僅是這樣。我甚至成為了一名馬拉松運動員，我手下的至少十幾個人也成為了馬拉松運動員。這是我們的應對方式。

此外，每個週五晚上，我們都會去軍官俱樂部一起喝啤酒。在那裡有笑話和友情，但也有技術討論，有很多問題都在聚會中得以解決。當我在奮鬥時，我們會在筋疲力盡6個小時後在軍官俱樂部聚會。我們這一群人始終在談論我們應該做什麼，戰術是什麼，結果是什麼。同時我們也在娛樂，享受彼此的尊重。GPS小組週五的啤酒聚會的氣氛總是很相似的。跑步和週五的啤酒聚會是一種治療方法，坦率地說，這對我們正在做的事情至關重要。我以前從沒有治好的胃病，也隨之消失了。

WEISS：是什麼促使軍方提供民用服務的？

PARKINSON：在我們發射第一顆衛星之前，我向國會提供了證詞，說我們將會提供民用訊號，但沒有保證我會公佈使用它的方法。然後每個人都問我，“你是怎麼做出那個決定的？”我就是決定了，我沒有詢問任何人。因為如果我去問別人，會有很多人告訴我不要這樣做。所以，我認為它就應該這樣。據我所知，第一個 GPS的民用裝置是由英國利茲大學的學生在Peter Daly 教授的指導下建造的。他們表明，我們確實提供了允許非軍事使用者使用導航系統的規範。

WEISS：您曾經說過，您驚訝於GPS在民用應用方面的迅速發展。

PARKINSON：在GPS應用中，GPS對農業方面的市場產生巨大的拉動作用。1996年，我在斯坦福大學的學生設計了第一臺由GPS引導的機器人拖拉機，他們通過對商業模型進行改造，使其可以通過衛星訊號以極高精度在農田中進行自動導航。

農場裝置製造商John Deere為我們提供了一輛拖拉機和大量資金，但他們當時對於農民是否想要自動導航持懷疑態度。事實證明，他們的懷疑是錯誤的。在不到15年的時間裡，機械農場裝備的市場價值達到了4億美元。而從那時起至今，這個數字又翻了一倍多。

完全採用GPS控制飛機著陸是一個緩慢的過程。1992年，多虧美國聯合航空公司和美國聯邦航空局借給我們一架波音737，我們得以演示了110次直接“盲”著陸。它工作得很完美。但是，讓這些“Category 3”著陸獲得美國聯邦航空局的完全認證是一個非常緩慢的過程，他們正在慢慢接受它。你必須證明利用這個系統著陸的失敗概率不超過千萬分之一。從我們第一次展示那些“盲”著陸到現在已經28年了，這幾乎是一個人的職業生涯。

WEISS：什麼事讓您感到吃驚？

PARKINSON：我對那些我曾認為不可行的領域感到驚異，比如用GPS定位飛船。對於低於GPS衛星的軌道來說，這是必然成功的事。但是到目前為止，至少在理論上，已經有一些人在GPS軌道以上的地球同步軌道上做到了這一點。下一步就可能會是一個真正意義上的傑作。

一項即將進行的實驗將利用GPS衛星的剩餘能量為繞月球執行的飛行器進行導航，這些能量從GPS衛星射向地球表面。我也驚訝於研究構造板塊的人們是如何測量板塊邊界兩側的相對運動的，其在三維空間中的精確度能小於1 mm。速度可能是10 cm·a ^–1 ，但他們測量速度的精度單位是mm·a ^–1 。

事後看來，我本應該靠著汽車導航發一筆財的。它是我在1980年左右設想出的6個潛在應用之一 （圖9） 。我的概念是在平視顯示器上有一個移動地圖，一個小聲音會告訴你下一個轉彎的時間，還有一個通訊連線。我認為這一切都相當巧妙，但我們當時什麼也沒做，因為我們沒有預料到無處不在的手機的出現。

WEISS：黑客攻擊GPS和其他GNSS的可能性引起了人們對其安全性和可靠性的關注。您的觀點是什麼？

PARKINSON：國會和DoD一直在想辦法解決干擾和欺騙GPS的問題，所有人都認為這是一個大問題。其實並不是，我們知道如何製造幾乎能夠抵禦這些攻擊的 GPS接收機。這些接收機比我們的手機要複雜得多，它們可以承受強大的干擾，並完全隔離任何干擾。

1978年，我們用很大一部分預算組裝了一個極好的接收機，我在執行這個程式時展示了應對干擾和欺騙的對策。你猜發生了什麼？商用飛機沒有這些，其中的部分原因是我國的法律禁止出口技術。商業航空電子裝置製造商可以製造這種接收機，但他們不能把它們裝在出售給某些國家的飛機上。

每個人都知道如何建造這樣一個安全的接收機。他們可能不明白你能做得有多好，但如果你有至關重要的、有關生命安全的應用或者是大型船舶，你可以獲得一個即使在10 000 W的干擾下也能夠正常工作的接收機。與手機相比，這樣的接收機十分昂貴，大概是10萬美元，但與現代油輪的成本相比，這簡直不值一提。 干擾和欺騙是一個政治問題，而不是一個技術問題。

注：本文內容呈現略有調整，若需可檢視原文。改 編原文： Peter Weiss.The Global Positioning System (GPS): Creating Satellite Beacons in Space, Engineers Transformed Daily Life on Earth[J].Engineering,2021,7(3):290-303.

注：論文反映的是研究成果進展，不代表《中國工程科學》雜誌社的觀點。

本文來自微信公眾號： 中國工程院院刊（ID：CAE-Engineering） ，作者：Peter Weiss