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1、什么是全球定位系统？我们从最基本的问题开始：什么是全球定位系统？全球定位系统是由美国军方设计可允许单个士兵或一群士兵自主确定与实际位置相差 1020 米范围内自己的位置的天基导航和定位系统。自治的概念的关键在于在有必要设计一个系统，它方便士兵能够确定他们在那里而没有任何其他的无线电（或其他）的通信。换句话说，一个单一的，单向的接收机，其使用不可能被潜在敌人来检测。由于美国军方是一个真正的全球性力量，该系统覆盖全球这是进一步的必要，并且能保持覆盖每天 24 小时。同时，为了保证美国军事安全，美国军方必须保证在不影响自己使用该系统的同时也不让敌人使用。最终，按照计划，每个士兵，每个军用车辆都将配备
2、一个 GPS 接收器。因此，有必要使接收机具有足够低的成本来满足这个目的。一旦所有的士兵都这样装备，在所有其他系统的依赖最终将不复存在。无线电导航系统GPS 远非唯一存在的无线电导航系统。甚至在第二次世界大战中，各种方案都试图为船舶和飞机提供原油定位。每个新的系统都是建立在以前的系统基础上再增加准确度和/或可用的范围。二战期间开发了几个系统仍然沿用至今，尽管很多新出现的产品比他们更早的化身更精致。如今，至少有半打不同的无线电导航系统，包括欧米茄，劳兰，VOR/ DME，ILS，交通，当然还有 GPS。前四个是基于地面的系统; 交通和 GPS 系统都是基于空间的。俄罗斯还经营一个名为 GLONA
3、SS 系统，类似于 GPS，但迄今为止仍然比 GPS 不可靠得多。尽管慢慢地变得越来越重要，但是它不会被包括在本书的研究范围内。基于地面的欧米茄和劳兰系统是非常相似，它们都采用到达差技术，区别在于面对来自两个或更多个发射器的信号欧米茄系统测量相位差而劳兰系统测量时间差。发射器发出的超低频载波能传播出很远：欧米茄系统的发射机发出的波能传播出 26 公里; 劳兰系统的发射机发出的波能传播出 2.5 公里。这样的优点是，波长较长的波可通过“弹跳”离开电离层（处于高层大气的带电粒子层）底部很大一段距离使其能够从“隧道”通过大气层。这种现象被称为“波形导管” 。实际上，这种现象是非常有效的，欧米茄系统实
4、现全面覆盖全球仅仅使用了八个发射机。然而它的缺点是由于波的波长过长导致的低精度：欧米茄系统潜在的误差为6 公里。虽然劳兰系统的精度高达 450 米，但是仅仅能覆盖约 10地球表面。而航空系统，如 VOR / DME（甚高频，全向测距/测距设备）和 ILS（仪表着陆系统）的系统工作在更高的频率，以提供更高的精确度; 60-80 米 VOR/ DME 的量级， ILS 不到 10 米。频率和精度更高的频率产生更高的精度。高频率波长的波用“打孔”的方式通过电离层而不是与长波长的波一样“弹跳”离开电离层，然而，这样做需要在有视线的地方进行。VOR / DME 系统基本上覆盖整个美国，但视线的这一要求使
5、得它只有在空气采才能起作用，因为所有它的发射机都是基于地面。ILS 更加的精确，但还是受到视线的影响，此外，它的覆盖范围非常有限。因为它是专为降落的飞机设计的并且非常昂贵，因此它只设置于高流量的机场。自从苏联于 1957 年制造的第一颗人造卫星升空起，科研人员已经尝试使用基于空间的平台的无线电导航以满足高频率、高精确度系统对视线的要求。美国的运输系统率先在 1959 年推出，是第一个成功的这样的系统，目前仍在运作。该系统包括六颗卫星（经常被称为状态变量或空间飞行器）在极地轨道的高约 360 公里的高空绕行，并且精度能保持在半公里或更好，这极有利于粗导航和定位，例如可用于海上船舶。该系统的原理关
6、键在于测量所发射的信号的多普勒频移当卫星经过地平线到另一个地平线。其弊端是，信号的测量仅仅一个小时进行一次，其间还要求约 15 分钟的时间以接收获得一个修正值。此外，该系统只提供二维修复值而并没有给出海拔信息。再看看 GPS，迄今最高频率，波长最短，最精确的系统，它的卫星星座群覆盖了全球。GPS 的演变在 1950 年代后期 1960 年代早期，美国海军建立了个次卫星定位和导航系统：Transit和 Timation。Transit 系统于 1964 年开始运作，并于 1969 年向公众提供服务。Timation系统是一个原型系统目前尚未投入使用。同时，美国空军正对一个名为 621B 的系统进
7、行理论上的研究。为了验证这一理论，科研人员进行了许多的地面试验，但就在该系统可以投入实施之前，美国国防部副部长在 1973 年 4 月，指定空军作为将 Timation 系统和 621B 系统整合到一个单一的国防导航卫星系统（DNSS）的执行机构并对此全权负责。从这个联合系统的概念出现指定了 Navstar（用于导航系统的时间和测距）为全球定位系统，我们简称它为 GPS。20 世纪 70 年代是 GPS 发展的第一阶段，在这个理念验证阶段，第一个原型卫星被制造出来并进行了测试。第一个投入使用的 Navstar 的原型卫星于 1977 年 6 月发射，它被命名为 NTS-2（导航技术卫星 2，这
8、实际上是一个被改造的 Timation 卫星） 。虽然NTS-2 只持续工作了约 7 个月的时间但是这个理念被证明是可行的，并且第一颗第一代（Block I）的 Navstar 卫星也于 1978 年发射升空。1979 年是 GPS 发展的第二阶段，是一个全面发展和系统的测试的阶段，在六年时间里实现了先后九颗 Block I 类型的卫星发射升空。接下来的第三阶段是从 1985 年下半年开始的对下一代 Block II 卫星全面生产和部署。平民接触到 GPS 信号并且能无偿地使用它，是在 1984 年由里根总统在直接回应韩国航空公司航班 KAL-007 在 1983 年误入苏联领空而被击落事件时
9、正式保证的。五年后，第一颗第二代 Block II 卫星于 1989 年 2 月发射。GPS 地址1993 年 12 月，美国国防部宣布 GPS 系统的初始作战能力（IOC） ，它由 24 个 Block I 和Block II 卫星最低结合而成，它们运行在设计的合适轨道，功能齐全。最后，在 1995 年7 月，一个新的完全由 24 个 Block II 卫星组成的星座群投入运行后，美国国防部宣布 GPS系统的全面作战能力（FOC） 。目前，该系统已全面投入使用，为几乎在全球任何地方的任何人提供定位和导航服务。在某种意义上说，它使我们能够得到这个星球表面的表面每一厘米的唯一的地址，并且这个地址
10、可以通过使用一种通用地理坐标系让任何人理解。在不太遥远的将来，这将会实现：如果你邀请朋友到你家来，你将会说“。 。 。当然，到这儿来。我的地址是 394516.174634“N772237.582062”W，你别弄错了。 “而事实是他们不能，因为整个星球上没有共享同一地址的其它地方。这是你的，属于你一个人，不可能会弄错。似乎牵强？我们拭目以待。全球定位系统目前所得到的成功是难以置辞的。正如我们将在后面讨论的，接收器的成本在直线下降。它们已经成为了消费项目，在低端领域它的成本低于典型的低价录像机。所以.为什么不呢？GPS 民用应用全球定位系统是已经成为政府优先考虑的少数几个大手笔的政府项目之一，
11、成本低而工作效果比设计者想像中的更好.但它对军队来说却既是福音又是祸根。显然，任何管理员会很高兴看到自己的项目会有这样的结局。然而，军方对该系统具有与该系统的广泛多样的民间用户非常不同的议程。而这就是问题所在。GPS 的民用用途军队的远远不同。在民用领域 GPS 已经被证明非常有用，所以对 GPS 的依赖也越来越多，预计它将很快进入关键领域，如航空导航系统。这也为军方出了个难题。那就是：在当下平民的生活依赖着对 GPS 系统的自由且持续的使用的同时，他们如何保持军事安全？目前有许多方案应对这个问题，我们将在后面讨论，但问题依然存在，而且随着时间的延长只会变得更加复杂。那么，谁在使用 GPS？几
12、乎任何需要知道他们在哪里和他们要去哪里的人都在使用GPS，这几乎包括了所有人。低端接收机的成本低于 200 美元（并且还在下降） ，几乎每个人都可以使用 GPS 系统。购车者现在已经可以买到带有连接到地图显示的接收器的汽车了，这确保他们将永远不会迷路。快递公司正在优化按分钟计算的路线。查询地图在很大程度上成为简单地如何去某处，如何在地图上自动绘出路线的问题。高精度的测量可以在几分钟而不是几天来完成。也许更重要的是，你将永远不会忘记最好的渔洞在哪里了。这样的例子几乎是列不完的。GPS 的构成全球定位系统分为三个主要部分：空间部分，控制部分和用户部分。其中空间部分和控制部分是由美国军方负责运作由美
13、国空军的美国太空司令部管理的。基本上，控制部分确保两个卫星和它们发送的数据的完整性。空间部分是由卫星星座构成的一个运行在轨道上且包含操作，备份和不可操作单元的整体。用户部分就是所有那些已经购买了多种市售的接收机的任何一个的最终用户。虽然用户部分明显的会包括军事用户，但是本书将集中在民用部分作说明。每个部分将在下文中进行更仔细的讨论研究。控制部分全球定位系统的控制部分由位于美国科罗拉多州的科罗拉多斯普林斯猎鹰空军基地的一个主控制站（MCS） ，以及战略分布在世界各地的五个无人监控站组成。此外，空军维护三个位于赤道附近的主要地面天线。在发生一些灾难性的故障时，还有两个备用主控站，一个位于加州桑尼维
14、尔，另一个在马里兰州罗克维尔市。无人监控站被动跟踪所有的可见GPS 卫星，他们在任何给定的时刻从每个卫星收集信号（测距）数据。然后将这些信息经由安全的 DSCS（国防卫星通信系统）传递到在美国科罗拉多州的科罗拉多斯普林斯主控站，其中 DSCS 的卫星位置（“星历” ）和时钟定时的数据（下文会有更详细介绍）被估计和预测出来了。然后主控站周期性地发送校正后的位置和时钟定时数据到适当的接地天线，然后天线将这些数据上传到每个卫星。最后，卫星在传输下至终端用户的数据中采用该经校正的信息。这一系列的过程每个卫星每隔几个小时就要进行一次，以帮助确保误差蔓延到的卫星位置或它们的时钟的任何可能性被最小化。控制部
15、分位置此地图显示了各控制部分组成部分的位置。单主控站（MCS）位于美国科罗拉多州的科罗拉多斯普林斯。该设施共同位于同一个监控站连续地观察到，恰好是鉴于在任何给定时间所有卫星的位置和时钟设置。该设施与一个在任何给定时间都能准确连续地观察到所有卫星的位置和时钟设置的监控站在同一位置。还有位于世界各个战略地点的其他四个无人监测站。一个位于夏威夷，一个位于非洲西海岸的极小的名为阿森松岛的小岛（人口仅为 719） ，另一个位于印度南端的迪戈加西亚，第四个是马绍尔群岛西太平洋部分的夸贾林。三个地面上传天线与位于阿森松岛，迪戈加西亚，夸贾林的监控站在同一地点。空间部分空间部分完全由运行在轨道中的 Navst
16、ar 全球定位系统的卫星星座构成。目前正在使用的卫星是由 Rockwell International 公司制造的，每个花费大约 4000 万美元。若给每个卫星加上运载火箭会使成本高达 1 亿美元。到今天为止，整个系统的成本约为 100 亿美元。每颗卫星重约 900 公斤，若太阳能电池板完全展开则宽约五米。有 11 个 Block I 型原型卫星被发射升空（其中 10 个发射成功） ，接着是 24 个 Block II 型工作单位。目前，只有一个 Block I 型卫星仍在运行，而在地面存储着 4 个 Block II 型备用卫星。星座基本包括21 个业务卫星和三个在轨道运行着的备用卫星，共计 24 个。它们分别位于六个轨道并在离地面大约 20200 公里高度。每个轨道位于赤道向上偏移 55 度，并相互间隔开 60 度，每个轨道上运行着四个卫星（见下页图） 。轨道的周期为 12 小时，这意味着每颗卫星每天 24 小时完成两次的轨道的环绕。轨道此图显示了两个空间部分的轨道平面。为了清楚起见。只有两个轨道被示出，它们间
