全球定位系統(tǒng)—建立太空衛(wèi)星通信，改變地球上的日常生活

Peter Weiss

Senior Technology Writer

1.序言

1990年年底，海灣戰(zhàn)爭逼近伊拉克應(yīng)該從科威特撤出入侵部隊的最后期限（1991年1月份）。在沙漠風(fēng)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(xiāng)的航海用品供應(yīng)站購買商用衛(wèi)星導(dǎo)航接收機，并將這些設(shè)備郵寄給身處中東的他們。幾十年來，美國軍方一直在開發(fā)為美軍提供全球?qū)Ш綌?shù)據(jù)的衛(wèi)星星座，當時這個星座仍然缺少約三分之一的航天器。盡管如此，仍有足夠多的衛(wèi)星繞軌運行并傳播位置和時間數(shù)據(jù)，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(diào)的沙漠地形上穿行并且戰(zhàn)斗。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數(shù)據(jù)的軍用接收機。

但消息已經(jīng)傳出去了。商店里已有的性能較低的民用接收機，可以以足夠的精度測量衛(wèi)星信號。因此，當為漁民和度假的船民制作的導(dǎo)航裝備大量應(yīng)用于軍事基地、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(cè)[1,2]。

全球定位系統(tǒng)（GPS）在全部開發(fā)完成之前就已經(jīng)十分具有價值并且應(yīng)用廣泛，這也許暗示了GPS在不久后會對人類社會產(chǎn)生變革性的影響，并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(fēng)中揚起航帆時，都可以立即知道他們在哪里，確切的時間是什么?，F(xiàn)在，GPS衛(wèi)星在全球范圍內(nèi)每秒都會傳輸高分辨率、高精度的位置和定時數(shù)據(jù)，從而可以在世界各地進行無數(shù)次精確導(dǎo)航、測量、車輛控制和同步操作。

GPS之所以能在現(xiàn)代工程技術(shù)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、基本并且實用的確切位置。在人類存在的歷史進程中，人們始終努力尋找可靠的手段來獲得這個信息，例如，從前從景觀或海景的特征或標記、恒星或其他天體的景象以及地圖上獲取信息，現(xiàn)在GPS已經(jīng)成為通用的、全球的、可移動的、可靠的、高度準確的技術(shù)，并且可以隨時免費地為地球上的任何人提供想要的信息。GPS的另一個影響同樣重要，即它可在世界范圍內(nèi)發(fā)出納秒精度的時間信號，這些信號同步了大量的金融交易、通信、電力、控制信號和許多其他數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)流和測量已經(jīng)成為全球商業(yè)、電網(wǎng)、陸地、海上、空運和海運、軍事演習(xí)、互聯(lián)網(wǎng)交通以及許多其他活動和服務(wù)的關(guān)鍵。

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(fēng)暴戰(zhàn)役中提供了導(dǎo)航。來源：The Science Museum (CC0)；US Army (public domain)。

本文敘述了從20世紀50年代末起GPS的發(fā)明和發(fā)展歷史，當時蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星斯普特尼克1號。在這次事件的推動下，美國太空先驅(qū)進行了一些研究，他們發(fā)現(xiàn)通過對已知太空位置的軌道衛(wèi)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(xué)家和國防承包商的推動下，起初極不情愿的美國軍方轉(zhuǎn)而開始努力實現(xiàn)這種定位能力，并說服美國海軍（USN）和美國空軍（USAF）開展研發(fā)各種項目。這些努力推動了世界上第一個（功能有限的）全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)射，即USN的“Transit”。GPS產(chǎn)生于USAF的一個計劃（當時是機密的，后來被解密了），該計劃在先前的Transit和其他項目的進展上進行了擴充，但也在測距和通信信號、太空原子鐘、衛(wèi)星軌道預(yù)測、航天器壽命和用戶接收機方面進行了關(guān)鍵性的創(chuàng)新。

1991年的海灣戰(zhàn)爭證明了GPS的軍事價值，此后GPS作為一個由24顆衛(wèi)星加上零部件組成的星座于1995年開始全面運行。25年之后，又有三個全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）加入了太空GPS，其中一個在去年（2020年）開始全面運行，第二個預(yù)計在2022年全面運行，所有這些系統(tǒng)都以GPS為模式，能夠提供相同的基本服務(wù)。自20世紀80年代初以來，GPS在支持和維持普適的變革性技術(shù)方面持續(xù)發(fā)揮主導(dǎo)作用，其在航海、交通、通信、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、科學(xué)、金融以及與現(xiàn)代社會相關(guān)的每個方面都推動了民用應(yīng)用的激增[3]。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(shù)提供了必要的基礎(chǔ)，比如5G（使用GNSS信號），并可能是想象不到的其他重大創(chuàng)新的重要前提。

2.項目概況

2.1.協(xié)調(diào)人類生活

截至2021年1月，目前組成GPS的官方31顆運行衛(wèi)星（比標稱的24顆最小星座多7顆，還有額外的“退役”衛(wèi)星可以重新啟動）在20 200 km的高度（圖2）連續(xù)環(huán)繞地球，并將其無線電信號發(fā)送到地表[4]。在那里，世界各地數(shù)十億的接收者通過手機和許多其他設(shè)備可以鎖定來自GPS衛(wèi)星的信號，以及來自俄羅斯、中國和歐盟（EU）等姐妹導(dǎo)航星座的越來越多的信號。GNSS泛指任何一個覆蓋整個地球的系統(tǒng)。印度和日本部署了區(qū)域系統(tǒng)，以補充GNSS網(wǎng)絡(luò)提供的覆蓋范圍。所有這些系統(tǒng)共同構(gòu)成了世界衛(wèi)星定位、導(dǎo)航和時間（PNT）基礎(chǔ)設(shè)施。

這些PNT衛(wèi)星提供的數(shù)據(jù)可供室外幾乎任何地方和室內(nèi)輕度屏蔽位置的無線電接收機訪問，這有助于確保無數(shù)關(guān)鍵的計算機化工具的正確操作[2]。手機和個人電腦需要使用谷歌地圖或Waze的位置數(shù)據(jù)，以及協(xié)調(diào)微博、Facebook、TikTok和其他娛樂、電子支付、社交媒體、游戲、銀行等應(yīng)用程序以及無數(shù)網(wǎng)站、電話運營商和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的時間數(shù)據(jù)。除了指導(dǎo)和監(jiān)控汽車司機、卡車車隊、飛機飛行員和船長外，該系統(tǒng)還可以在全世界持續(xù)同步、發(fā)送和實時追蹤（根據(jù)需要）數(shù)十億的日常數(shù)據(jù)傳輸。如果沒有PNT信號，金融交易、電網(wǎng)電流的分布、移動電話以及大量由數(shù)字驅(qū)動的其他人類活動就不可能正常進行。此外，該系統(tǒng)能在軍事上起到作用，武裝部隊依靠PNT信號來協(xié)調(diào)士兵和武器，精確瞄準火炮、炸彈和導(dǎo)彈發(fā)射，以及營救被擊落的戰(zhàn)友?？偟膩碚f，GPS和其他GNSS數(shù)據(jù)的可用性（不間斷、即時、免費、準確、可靠、普適）已經(jīng)成為地球上近80 億人口中大約一半人的日常生活基礎(chǔ)[5]。

圖2.24顆（最小）GPS衛(wèi)星追蹤軌道設(shè)計在地球周圍空間和時間上均勻分布，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(tǒng)在全球傳輸位置和定時數(shù)據(jù)，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)。

“所有這些都使GPS成為一項革命性的技術(shù)”，退役的美國空軍上校Bradford W.Parkinson博士說，他領(lǐng)導(dǎo)了第一個6年（1972—1978年）的GPS項目。在此期間，該系統(tǒng)的設(shè)計變得具體化，Parkinson和他的同事們開始建造和發(fā)射現(xiàn)有系統(tǒng)的衛(wèi)星。本文主要參考Parkinson的研究，他將GPS技術(shù)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里，我們很難準確地知道我們在哪里，現(xiàn)在是什么時候?！暗F(xiàn)在我們只要拿出手機，馬上就能知道我們在哪里，”Parkinson說，“不過，總的來說，大多數(shù)人都不知道GPS是如何工作的?！?/p>

2.2.開創(chuàng)性

鑒于GPS是幾十年來的第一個GNSS，也是唯一實現(xiàn)和支持當今網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)沉浸式世界的PNT基礎(chǔ)設(shè)施，它是最重要的現(xiàn)代工程成就之一。2003年，美國國家工程學(xué)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(lǐng)域的諾貝爾獎）授予Parkinson和該開創(chuàng)性系統(tǒng)的倡導(dǎo)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(fā)明和發(fā)展[6]。這一開創(chuàng)性的技術(shù)以及數(shù)百名工程師和其他參與開發(fā)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，并沒有與發(fā)明者的動機和夢想、他們研究過程中克服的困難和挑戰(zhàn)，以及他們克服這些障礙的方法有關(guān)。這些榮譽是明智的事后反應(yīng)，不同于從20世紀60 年代初到1991年海灣戰(zhàn)爭中首次廣泛使用GPS時的懷疑和不感興趣。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的想法起源于軍方：USN和馬里蘭州巴爾的摩市附近的約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用光學(xué)實驗室（JHUAPL）設(shè)計并建造了第一個全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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。盡管如此，GPS作為比Transit更快、更準確、更普及、更通用的系統(tǒng)，其最終實現(xiàn)的可行性和軍事價值在美軍領(lǐng)導(dǎo)人的觀念中幾乎不存在。在第一個GPS星座的幾乎整個開發(fā)過程中，軍事指揮官基本上將這項技術(shù)視為對其預(yù)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，這個項目就會因為缺乏預(yù)算而終止?！?/p>

面對阿波羅計劃十年及之后的政治挑戰(zhàn)，人們對太空時代的興奮和好奇聚焦于月球上，一群有遠見的工程師為實現(xiàn)這項未經(jīng)驗證的太空技術(shù)邁出了第一步。在這一過程中，他們?nèi)〉昧嗽S多重要的技術(shù)進步，從將系統(tǒng)所有衛(wèi)星的信息編碼到單個射頻載波的方案中，到開發(fā)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(dǎo)致了一場隱形的革命，這些技術(shù)很容易被認為是理所應(yīng)當?shù)模珔s是我們?nèi)找鎸崿F(xiàn)數(shù)字化世界的關(guān)鍵所在。

2.3.兩個“火花”

在1957年秋天，兩個“火花”在無意中同時點燃了其發(fā)明者和建設(shè)者對GPS目標的追求。其中之一是世界上第一顆人造衛(wèi)星（蘇聯(lián)的斯普特尼克1號）的發(fā)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(lián)航天器（圖3）。

斯普特尼克1號于1957年10月4日星期五發(fā)射進入軌道。到接下來的星期一，兩位年輕的JHUAPL物理學(xué)家William Guier 和 George Weiffenbach用一個臨時的接收機裝置接收了衛(wèi)星的無線電信號。當衛(wèi)星接近時，他們開始測量其20 MHz和40 MHz無線電傳輸脈沖的多普勒頻移，然后衛(wèi)星從他們身邊遠離，每一次都高高越過頭頂。他們發(fā)現(xiàn)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信息，這類似于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(jīng)過車輛的速度。在接下來的幾個月里，JHUAPL的研究人員和其他機構(gòu)的同事致力于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項目的研究方向。他想知道，假設(shè)對斯普特尼克軌道的估測是正確的，那么科學(xué)家根據(jù)其對該軌道的了解以及航天器與自身之間的信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在幾年后的回憶中說道[7]。McClure的問題指明了GPS背后的本質(zhì)含義：在太空中繞軌道運行的人造物體可以用來精確定位地球上的位置。

2.4.Transit衛(wèi)星

McClure提出的問題不僅僅是出于求知欲。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(shù)學(xué)家Richard Kershner得知Guier和Weiffenbach的精確結(jié)果時，他們將McClure的頭腦風(fēng)暴轉(zhuǎn)化為世界上第一個導(dǎo)航衛(wèi)星陣列的設(shè)計。隨后，Kershner在JHUAPL成立了一個新的航天部門，為USN制作原型，測試并建造了名為Transit的系統(tǒng)。當完全運行時，5～8顆衛(wèi)星和備用衛(wèi)星均在跨極地軌道上，提供全球覆蓋系統(tǒng)（圖4）。Transit于1964年投入運營，幾年后，JHUAPL將最后一批生產(chǎn)Transit衛(wèi)星的制造工作移交給了美國無線電公司。

利用Transit，一艘位于水面的潛艇能夠以比當時領(lǐng)先的地面無線電導(dǎo)航系統(tǒng)（如Loran）更高的精度來定位。Transit定位是利用一顆衛(wèi)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(wèi)星能夠在潛艇位置的視野范圍內(nèi)被探測到。Transit具有一定的局限性，它只提供了兩個維度的坐標，沒有高度信息，此外，除非用戶的速度被精確指定，否則它可能會嚴重錯誤地定位移動的用戶。盡管如此，該系統(tǒng)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船只和民用用戶提供導(dǎo)航幫助。

1962年左右，當USN和JHUAPL正在創(chuàng)建Transit時，美國空軍啟動了一個名為“621B”的秘密項目，旨在研究和測試一個以東南亞為中心的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的概念。這個項目引起了一場軍種間的競爭，阻止了GPS多年的發(fā)展。美國空軍設(shè)想了一個比Transit更有能力的系統(tǒng)，它可以提供三維的、精確到幾米的瞬時定位。下一代系統(tǒng)還將提供同步到30 ns內(nèi)的全球時間測量。這一增強的性能將使超聲速軍用噴氣式飛機的快速、反復(fù)、途中定位變得可行，以指導(dǎo)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(tǒng)最初的目的是只提供東南亞地球同步軌道衛(wèi)星的區(qū)域覆蓋范圍，但其規(guī)劃者也認為，它是邁向全球衛(wèi)星導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)的第一步（該網(wǎng)絡(luò)最終在30多年后由GPS實現(xiàn)）。

圖3.（a）人造衛(wèi)星1號的復(fù)制品展示了四個后掠天線，使蘇聯(lián)的先驅(qū)航天器（世界上第一顆人造衛(wèi)星）在1957年10月發(fā)射后，能夠向幾乎所有的地球人居區(qū)域發(fā)射射頻脈沖。（b）右邊的模型顯示了衛(wèi)星的內(nèi)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(wèi)星在太空運行21 d后電池耗盡，無線電脈沖停止發(fā)射。在軌道上運行三個月后，斯普特尼克1號于1958年1月4日重返地球大氣層時被燒毀。來源：National Aeronautics and Space Administration (NASA; pubic domain); Wikimedia Commons (CC0 1.0)。

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(fù)雜的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的概念，該系統(tǒng)可以為用戶提供五角大樓高級官員的三維定位。在美國空軍的資助下，航空航天公司為621B項目進行了大約90項探索性衛(wèi)星導(dǎo)航研究，包括公司兩位頂級太空系統(tǒng)工程師James Woodford和Hideyoshi Nakamura在1964—1966年間的分析[8]。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(tǒng)概念，包括通信類型、計時和計算設(shè)備，以及衛(wèi)星、用戶和地面站可能使用的方法。

當時還不清楚該系統(tǒng)的衛(wèi)星及其用戶是否都需要原子鐘，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，通信只能從衛(wèi)星到用戶，利用智能計算機，衛(wèi)星的數(shù)量和分布足以讓每一個用戶始終同時看到至少四顆衛(wèi)星。要使這種全天候的“四視”（four-inview）條件在全球范圍內(nèi)應(yīng)用，至少需要有24顆衛(wèi)星連續(xù)運行。只有位于美國領(lǐng)土的主控站才能向航天器發(fā)送任何信號，如用于衛(wèi)星位置和時間校準的信號。

工程師們的工作表明，如果這樣一個系統(tǒng)被證明可行，那么回報可能會很大。首先，用戶的接收機可以在幾乎任何時間或地點，立即從衛(wèi)星的連續(xù)傳播中提取到所需的四顆衛(wèi)星（或更多的衛(wèi)星，以提高精度）的確切時間和同步距離。這將是用戶計算精確的三維位置所需的唯一信息（圖5）。其次，該系統(tǒng)將只服務(wù)于“被動”用戶，這些用戶在設(shè)計上不需要傳輸任何可能導(dǎo)致敵人找到他們的電磁信號。這樣一個系統(tǒng)可以為所有軍事資產(chǎn)（包括作戰(zhàn)士兵、巡邏艇和戰(zhàn)術(shù)轟炸機）提供全天候的無風(fēng)險的位置和時間信息。當所有用戶都是被動的，同時用戶數(shù)量變?yōu)闊o限大時，所有人都可以使用該服務(wù)。

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

最后，Woodford和Nakamura得出結(jié)論，雖然衛(wèi)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，但用戶的接收機并不需要先進、笨重和昂貴的計時設(shè)備。得益于四視圖衛(wèi)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(shù)字電子設(shè)備中廣泛使用的小型、廉價的石英鐘更復(fù)雜 [9]。

2.5.技術(shù)障礙

在JHUAPL的Transit系統(tǒng)全面啟動后，華盛頓特區(qū)附近的另一個美國軍事研究和開發(fā)機構(gòu)——美國海軍研究實驗室（NRL）——的工程師和科學(xué)家由物理學(xué)家Roger L.Easton領(lǐng)導(dǎo)開始建造和測試天基導(dǎo)航系統(tǒng)的原型衛(wèi)星，旨在超越Transit。除了精確的定位，被稱為Timation的NRL概念旨在為用戶提供精確的通用時間。據(jù)Parkinson說，NRL的工作人員可能不知道仍然保密的美國空軍621B項目的細節(jié)，該計劃也打算提供一個高精度、可重復(fù)的時間信號。雖然NRL和621B的概念在關(guān)鍵方面有所不同，但這兩個概念也有很大的共通之處。

圖5.GPS導(dǎo)航是如何工作的？手持接收機（右下角）追蹤來自至少四顆衛(wèi)星信號的到達時間，以確定其與這些衛(wèi)星的距離。將這些距離計算與衛(wèi)星所傳播的精確的衛(wèi)星位置和定時校正信息結(jié)合起來，使用戶設(shè)備能夠計算其在地球上的位置。該系統(tǒng)包括觀測衛(wèi)星軌道的跟蹤站，為向星座發(fā)送必要更新和校正的指揮中心收集數(shù)據(jù)。這些更新和校正確保每顆衛(wèi)星傳播精確的系統(tǒng)時間和經(jīng)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用戶位置。Schriever AFB：史瑞弗空軍基地。來源：Bruce Morser, National Air and Space Museum, Smithsonian Institution (public domain)。

到1969年，NRL為評估Timation建造并發(fā)射的一系列測試衛(wèi)星中的第二顆已經(jīng)為固定（非移動）位置的用戶展示了約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(yè)項目的新負責(zé)人：Bradford Parkinson。當時，Parkinson是一位年輕的上校，負責(zé)美國空軍彈道導(dǎo)彈再入計劃的工程設(shè)計，他的資歷引起了一位想支持陷入困境的621B項目的將軍的關(guān)注。Parkinson曾在越南執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)，畢業(yè)于斯坦福大學(xué)，獲得航天工程博士學(xué)位，并擔(dān)任美國空軍學(xué)院航天系主任。在擔(dān)任再入計劃的工程負責(zé)人之前，他在慣性導(dǎo)航方面工作了三年，并在麻省理工學(xué)院的德雷珀博士 （與NAE的德雷珀獎同名）實驗室學(xué)習(xí)了兩年的慣性導(dǎo)航，德雷珀博士成功發(fā)明了第一個慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

作為621B項目的新領(lǐng)導(dǎo)，Parkinson招募了大約25名擁有高級工程學(xué)位和工作經(jīng)驗的美國空軍軍官，以此提高了完成該項目的能力。在討論其項目的全球?qū)Ш礁拍畹膹?fù)雜技術(shù)過程中，Parkinson很快與物理學(xué)家Malcolm Currie博士結(jié)下不解之緣，后者是五角大樓新任命的高級文職人員。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(jiān)，這是美國國防部中第三大的職位?！拔医兴谈福盤arkinson說，“如果五角大樓出了什么問題，他會盡力為我們解決的。”

盡管美國空軍和海軍的競爭導(dǎo)致了美國軍方高層幾年未能決定發(fā)展何種項目，但1973年12月，由Currie主持的一個由各軍種高級軍官組成的委員會批準了一個價值1.5億美元、由四顆衛(wèi)星組成的621B概念的原理驗證演示。作為Currie當時設(shè)想的新的合作安排的一部分，衛(wèi)星導(dǎo)航工作成為DoD中第一個聯(lián)合軍種發(fā)展項目。該委員會設(shè)立了GPS聯(lián)合項目辦公室（JPO），其在Parkinson的領(lǐng)導(dǎo)下由美國空軍運作，將美國海軍的衛(wèi)星導(dǎo)航行動計劃置于其管轄之下。來自其他軍事部門的官員（包括海軍、陸軍、海軍陸戰(zhàn)隊和國防測繪局）作為副項目經(jīng)理分擔(dān)項目的管理。

為了設(shè)計、建造、發(fā)射和驗證其未完全發(fā)展的四顆衛(wèi)星演示系統(tǒng)（1979年完成），JPO面臨著數(shù)十個技術(shù)障礙，該系統(tǒng)最終成為一個擁有地面站和基本用戶設(shè)備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(wèi)星和火箭還處于起步階段，計算機和其他電子設(shè)備都過于笨重、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(shù)障礙，五項工程的進展成為GPS成功的關(guān)鍵：①從衛(wèi)星到地面用戶接收機的準確可靠的測距信號；②太空適用的原子鐘；③穩(wěn)健、使用期長的衛(wèi)星；④衛(wèi)星軌道的精確預(yù)測；⑤實際的用戶接收設(shè)備[10]。

3.突出的技術(shù)和創(chuàng)新

3.1.數(shù)據(jù)傳輸

在所有的技術(shù)進步中，GPS先驅(qū)普遍認為該系統(tǒng)設(shè)計的開創(chuàng)性的測距信號能在系統(tǒng)完成后25年保持不變，是對GPS的成功實施及整體性能、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(chǔ)，即四視星座的被動用戶不需要龐大、昂貴的原子鐘。這個概念要求每顆衛(wèi)星不僅傳輸自己的軌道信息和位置坐標，還傳輸系統(tǒng)時間、航天器的發(fā)射機狀態(tài)、電離層延遲模型，甚至是星座中所有其他運行的姐妹衛(wèi)星的軌道和位置細節(jié)等。

然而，連續(xù)傳播只能以微弱的數(shù)據(jù)速率傳輸所有信息，以確保有足夠的功率用于關(guān)鍵測距信號。由于GPS預(yù)算有限，JPO最初選擇使用翻新的洲際彈道導(dǎo)彈進行衛(wèi)星發(fā)射，這節(jié)省了數(shù)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(wèi)星的發(fā)射重量，因此也限制了其太陽電池陣的大小，并最終限制了可用的發(fā)射機功率。GPS開發(fā)人員只能為地球提供可靠的一億億分之一瓦特的信號強度。因此，該系統(tǒng)的規(guī)格保證接收機的功率不超過10–16W，而衛(wèi)星利用其有限的功率，以每秒50 bits的速度傳輸數(shù)據(jù)。

每顆GPS衛(wèi)星將通過調(diào)制兩個高頻載波信號（1.2276 GHz和1.57542 GHz）向用戶連續(xù)傳輸其信息。早期Transit系統(tǒng)的JHUAPL設(shè)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(wèi)星信號的頻率相關(guān)延遲?！靶疫\的是，延遲與載波信號頻率的平方成反比，”科羅拉多大學(xué)博爾德分校的GNSS專家、航空航天工程科學(xué)教授Penny Axelrad說，“通過在兩個或三個不同頻率上接收信號，GPS接收機可以很容易地糾正這種效應(yīng)?！碑斀裰悄苁謾C中廉價的GPS芯片也可以執(zhí)行類似的解決方案。以更多的頻率發(fā)射會消耗衛(wèi)星寶貴的能量，但這項技術(shù)支持獨立的測距信號，并使用戶能夠有效、精確地計算到星座衛(wèi)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，電子電路正從模擬電子技術(shù)向低功耗、緊湊、長壽命的數(shù)字組件過渡，最終演變?yōu)榻裉斓募呻娐罚褂嬎愕玫搅司薮蟮母倪M。由數(shù)學(xué)家和計算機科學(xué)家在內(nèi)的創(chuàng)新團體發(fā)現(xiàn)了數(shù)字信號的新處理能力，并將其應(yīng)用于通信、傳感、控制系統(tǒng)和其他領(lǐng)域。在621B計劃的范圍內(nèi)，當最初的四顆衛(wèi)星演示獲得批準時，這些無線電測距技術(shù)的硬件演示模擬已經(jīng)在新墨西哥沙漠進行（下文將進一步說明）。

為了滿足不斷發(fā)展的GPS的工作需求，來自行業(yè)的內(nèi)部工程師和數(shù)字信號處理專家開始專注于一種被稱為碼分多址（CDMA）的通信協(xié)議。通過為每個衛(wèi)星分配一個不同的代碼，CDMA協(xié)議使所有衛(wèi)星能夠在相同的頻率上傳播，而不會造成相互干擾或數(shù)據(jù)丟失。同時，所有的用戶接收機都可以通過準確地測量四顆或更多顆衛(wèi)星的到達時間，進行同步測距。

在1971—1973年新墨西哥州白沙導(dǎo)彈靶場進行的基于CDMA的方案的現(xiàn)場測試中，621B項目團隊部署了兩種由電子工業(yè)公司建造的CDMA接收機。這些接收機檢測到并處理了來自四個“偽衛(wèi)星”的信號，這些“偽衛(wèi)星”是模擬GPS衛(wèi)星傳播的地面發(fā)射機。然后，工程師將計算出的位置與激光器測量儀器的實際位置進行了比較。在三個維度上，計算出的位置和激光精確定位的位置都在5 m以內(nèi)（圓概率誤差）。這些發(fā)現(xiàn)使四顆衛(wèi)星演示獲得了批準，解決了五角大樓一些人的疑慮，并證實了一個由真正的四顆衛(wèi)星組成的全球系統(tǒng)是可行的，該系統(tǒng)具有四視圖可訪問性和CDMA，能夠提供JPO所聲稱的位置準確度。

3.2.沿軌道運行的原子鐘

20世紀70年代末，該項目的工程師已經(jīng)開始為關(guān)鍵的四顆衛(wèi)星測試做準備，但GPS所需的時鐘技術(shù)還未實現(xiàn)。雖然四視衛(wèi)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信號同步到納秒級（十億分之一秒）。雖然這可以通過GPS地面控制網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)信號來實現(xiàn)，但更好的解決方案是在每個GPS衛(wèi)星上安裝非常穩(wěn)定的“飛輪”（flywheel）時鐘，并每天進行一次或兩次校準。

在20世紀50年代首次開發(fā)使用銫原子束的商業(yè)原子鐘可以滿足GPS的計時規(guī)范。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(qū)域的強烈電離層輻射將會在不到1 min內(nèi)殺死沒有保護的人類，也會迅速摧毀時鐘。而且，這些復(fù)雜的儀器會占用太多的空間，且重量太大，無法滿足衛(wèi)星的體積和重量要求。所以GPS需要更小的時鐘，并且不受極端太空環(huán)境的影響。

Woodford和Nakamura 1966年的報告鼓勵美國空軍發(fā)起一個完成上述目標的開發(fā)計劃，而在USN的Easton小組已經(jīng)開始了這項工作。在測試衛(wèi)星上，NRL評估位置精度和估算系統(tǒng)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（后來在加利福尼亞開設(shè)了辦事處）制造的新型小型銣鐘實驗；馬薩諸塞州丹佛斯的小型承包商Frequency and Time Systems（FTS）公司制作的緊湊型銫鐘（圖6）。

圖6.（a）由德國Efratom Elektronik公司與Rockwell國際公司合作設(shè)計制造的輕型、緊湊、低功率的銣鐘，使第一個四衛(wèi)星GPS示范項目取得了里程碑式的發(fā)展。（b）第一個五衛(wèi)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于1967年開始了長達十年的太空時鐘試驗，衛(wèi)星三維方向（姿態(tài)）的不穩(wěn)定性始終困擾著測試。這些問題包括：變化在哪里；從什么角度變化；什么時候陽光會最強烈地照射航天器，使內(nèi)部溫度變化，導(dǎo)致石英鐘即使在有了機載溫度補償?shù)那闆r下頻率也會發(fā)生變化。這些試驗結(jié)果表明，簡單的石英設(shè)備不能夠滿足GPS的要求。同時，原子鐘還沒有為應(yīng)對溫度、輻射或機械應(yīng)力的極端情況進行加固，這些不穩(wěn)定的條件使試驗沒有結(jié)果。

當時由一個大公司制造的典型銣鐘高約30 cm，寬48 cm，安裝在工業(yè)電子機架上。相反，Efratom公司制造的重量輕、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在對一對銣鐘進行現(xiàn)場評估得出了不明確的結(jié)果時，四顆衛(wèi)星示范項目已經(jīng)獲得批準，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(wèi)星。隨著1978 年發(fā)射日期的確定，Rockwell直接與Efratom合作，生產(chǎn)銣鐘的太空加固版本。與此同時，F(xiàn)TS正在開發(fā)一種經(jīng)過太空加固的銫束鐘原型，1977 年NRL將其放在所發(fā)射的另一顆衛(wèi)星上進行了測試，但結(jié)果也不確定，到其電源在評估12 h后耗盡過程中，只有一個時鐘良好工作。

盡管如此，微型的、太空加固的、Efratom/Rockwell銣鐘滿足了穩(wěn)定性和穩(wěn)健性的要求，使得第一個四衛(wèi)星GPS示范項目實現(xiàn)了里程碑式的發(fā)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[1]。由于其德語非常流利，F(xiàn)ruehauf與Efratom合作開發(fā)者密切合作。在1980年發(fā)射的第五顆GPS衛(wèi)星上，一個太空加固的FTS銫鐘終于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(shè)計目標的銣鐘一樣穩(wěn)定[9,11]。

盡管新制造的原子鐘具有極高的精度和穩(wěn)定性，但衛(wèi)星系統(tǒng)仍然必須彌補由于相對論效應(yīng)而造成的不可避免的時間差異。正如廣義相對論所預(yù)測的那樣，由于軌道時鐘在海拔22 200 km處的重力場較弱，太空時鐘比控制站和地球上的用戶接收機中的地面時鐘運行得更快。如果對這種速率差異沒有采取任何措施，衛(wèi)星的時鐘將超過地面時鐘約45 μs·d–1。此外，根據(jù)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。為了消除剩余的差異，GPS操作員將發(fā)射前衛(wèi)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(diào)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。

3.3.壽命較長的衛(wèi)星

由于替代衛(wèi)星的建造和發(fā)射成本很高，因此短壽命的衛(wèi)星可能會使太空計劃破產(chǎn)。例如，蘇聯(lián)的第一個GLONASS衛(wèi)星平均壽命只有2～3年。這一壽命時長使得每年都需要發(fā)射8～12顆新衛(wèi)星，以保持GLONASS的24衛(wèi)星星座的全面運行。

Rockwell國際公司從一開始就針對GPS衛(wèi)星的長壽命采取了質(zhì)量控制措施，包括去除最容易發(fā)生故障的部件，減少使用性能不佳的部件，在飛行中對大范圍部件進行監(jiān)控，以及對設(shè)備故障進行分析。這些努力取得了成果，最初的10顆GPS衛(wèi)星的平均壽命為7.6年（圖7）。在GPS II時代，衛(wèi)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(wèi)星于2018年年底開始發(fā)射，其預(yù)計壽命為15年，截至2020年11月將有4顆衛(wèi)星進入軌道。

圖7.1978年，工程師在發(fā)射前對第三個GPS衛(wèi)星原型進行了測試。來源：The Aerospace Corporation (public domain)。

3.4.精準預(yù)測

設(shè)計Transit系統(tǒng)的工程師和科學(xué)家開創(chuàng)了預(yù)測其衛(wèi)星軌道方向的先進技術(shù)。這是Transit成功發(fā)展的關(guān)鍵需求，且對GPS的目標有更嚴格的要求。例如，導(dǎo)航衛(wèi)星的行星環(huán)繞路徑可以使它們從活躍的地面站消失數(shù)小時，這些地面站將更新后的坐標上傳到星座。以Transit為例，隨著軌道衛(wèi)星名單被擠滿，Guier和JHUAPL的其他科學(xué)家利用對航天器軌跡的觀測來完善地球的引力模型。然后，他們將改進后的數(shù)據(jù)輸入衛(wèi)星軌道并進行地面位置計算。雖然早期Transit系統(tǒng)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(yōu)于該項目規(guī)定的185 m精度的目標。隨著程序發(fā)展，靜態(tài)水平誤差可以下降到25 m（Transit未提供垂直位置）[12]。

在Transit成功的基礎(chǔ)上，GPS開發(fā)人員優(yōu)化了軌道模型，用于預(yù)測星歷（軌跡），這些星歷（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(xiàn)GPS衛(wèi)星時間同步而開發(fā)的太空加固時鐘，進一步提高了軌道預(yù)測精度。為了使GPS能夠在1.45×108m軌道行程中提供預(yù)期的位置精度，其衛(wèi)星軌道預(yù)測的基礎(chǔ)模型對接收機的衛(wèi)星測距可以增加不超過幾米的誤差[11]。由于GPS還需要比Transit系統(tǒng)更快地重新計算其模型，其開發(fā)團隊必須設(shè)計一種新的數(shù)學(xué)方法，以接近實時生成預(yù)期的軌道路徑。

3.5.授權(quán)用戶使用權(quán)限

一場令人心碎的悲劇，以及后來的第一次伊拉克戰(zhàn)爭，使GPS企業(yè)迎來了5個關(guān)鍵工程挑戰(zhàn)中的最后一個：開發(fā)廉價的用戶設(shè)備，以提供對PNT數(shù)據(jù)的快速訪問。這一進步將推動該項技術(shù)最終被全世界軍方和平民所接受和采用。

這起悲劇發(fā)生在1983年，當時蘇聯(lián)將韓國的偏離航線的客機007誤認為是間諜機并將其擊落，導(dǎo)致機上269人全部遇難。作為對此事的回應(yīng)，美國總統(tǒng)羅納德·里根承諾GPS民用信號可供全球使用。雖然GPS民用信號從一開始就可以免費獲取，但當時它們的獲取并沒有得到保障。早期的GPS系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了“選擇可用性技術(shù)”，這意味著它傳播了兩個不同的信號：一個用于軍事；另一個用于民用。盡管任何人都可以獲取準確度較低的民用信號，但只有美國軍隊才能獲取準確度最高的信號（以確保其在戰(zhàn)斗中的優(yōu)勢）。不過，民用信號的獲取將足以避免像007航班那樣的嚴重導(dǎo)航事故。里根還承諾，如果系統(tǒng)關(guān)閉，美方將至少提前10年發(fā)出系統(tǒng)關(guān)閉的通知。顯然，里根的承諾讓電子產(chǎn)品公司對GPS的未來前景感到放心。電子產(chǎn)品公司開始開發(fā)和制造更多的GPS接收機，然而這些設(shè)備，特別是為軍隊設(shè)計的，最初都是昂貴的專業(yè)產(chǎn)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，希望能創(chuàng)建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。程序設(shè)計和建立的9種用戶儀器數(shù)量有限，往往是笨重的，且需要大功率的電力（圖8）。最大的設(shè)備是一個比人高的大型軍用控制臺，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幾千英尺的敵軍干擾器（1 kW）的影響而正常運行。較小的設(shè)備都有一個較粗的圓柱天線，包括一個11 kg的“便攜式”的接收設(shè)備，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。

在沙漠風(fēng)暴行動開始之前，由于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(shù)量。美國空軍的GPS操作人員也暫時關(guān)閉了選擇可用性技術(shù)，使民用信號降級，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(fēng)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(tǒng)購買了3000臺[2]。

當1991年1月中旬戰(zhàn)斗開始時，電視前的觀眾看到了美方利用發(fā)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(diào)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(zhàn)斗中表現(xiàn)出的巨大價值（GPS開發(fā)者曾承諾的）最終說服了曾經(jīng)不愿參與該系統(tǒng)創(chuàng)建的軍事部門。

3.6.困難阻礙

在1979年6月批準建造整個衛(wèi)星星座之后，直到沙漠風(fēng)暴之前，人們對衛(wèi)星導(dǎo)航的擔(dān)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(yù)算。雖然預(yù)算很快又恢復(fù)了，但其在1981—1986財政年度預(yù)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(wèi)星加上3顆備用衛(wèi)星。它還減緩了更先進的下一代“Block II”衛(wèi)星的發(fā)展。到1988年，由于擔(dān)心18顆衛(wèi)星系統(tǒng)不能正常工作，DoD將該星座的衛(wèi)星數(shù)量恢復(fù)到24顆，其中包括3顆備用衛(wèi)星?！癇lock II”的衛(wèi)星計劃很快也恢復(fù)了[2]。

盡管如此，預(yù)算問題仍持續(xù)減緩GPS的發(fā)展，發(fā)展中存在了新的技術(shù)和管理問題，并延長了整個GPS系統(tǒng)的建設(shè)時間周期?！拔覀儼凑誐al Currie的要求，開發(fā)了新的完整系統(tǒng)，與測試項目的預(yù)算相同。金錢一直是一個問題”，現(xiàn)在已經(jīng)退役的美國空軍上校Gaylord Green回憶說，他是一名導(dǎo)航工程師，在GPS開發(fā)的各個階段都發(fā)揮了重要作用[1]。Parkinson最初知道Green是斯坦福大學(xué)的研究生，后來Green在美國空軍的再入飛行器項目中為他工作，當Parkinson接管621B項目時，他邀請Green加入衛(wèi)星導(dǎo)航項目。后來Green于1985—1988年擔(dān)任GPS的項目主任。

盡管如此，GPS的發(fā)展還是遭受了一些挫折，這與美軍內(nèi)部的競爭和預(yù)算問題無關(guān)。1986年的挑戰(zhàn)者號航天飛機的發(fā)射災(zāi)難使1979年分配給航天飛機編隊的GPS衛(wèi)星發(fā)射項目中斷。此后又花了兩年時間才重新使用Delta II火箭進行發(fā)射。盡管如此，當其他軍事項目發(fā)現(xiàn)利用GPS完成自己的目標，并且支持增加導(dǎo)航系統(tǒng)的預(yù)算時，其項目仍可以從中受益。當USN需要一種方法在廣闊的海洋區(qū)域追蹤三叉戟導(dǎo)彈的發(fā)射測試時，Parkinson和James Spilker（數(shù)字通信的先驅(qū)和GPS設(shè)計的主要貢獻者）提出了一種使用GPS信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(wèi)星GPS項目的衛(wèi)星數(shù)量增加了兩顆并從USN向USAF項目轉(zhuǎn)移了6600萬美元。

圖8.（a）1977年由Rockwell Collins公司制造的用于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設(shè)備飛行測試板上。（b）兩名士兵于1978年測試了約11 kg的GPS“便攜式”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芯片。來源：Rockwell Collins (public domain)；USAF (public domain)；Wikimedia Commons (CC0 1.0)。

美國的核裁軍計劃還通過在衛(wèi)星上增加核爆炸傳感器，增加了GPS的預(yù)算。為了幫助評估核打擊情況，這些傳感器還監(jiān)測了1968年《核不擴散條約》的遵守情況。根據(jù)Green的說法，增加這些傳感器不僅僅是增加了資金，他說：“在整個GPS系統(tǒng)獲得最終批準之前，預(yù)算分析得出的結(jié)論是，它不能滿足軍事需要。但核探測系統(tǒng)能夠滿足軍事需要，從而使GPS計劃獲得批準?！?/p>

3.7.正常運行

1995年7月，就在沙漠風(fēng)暴幾年后，美國空軍宣布全面運行GPS，此時距離1973年批準的概念性四顆衛(wèi)星演示已經(jīng)過去了22年[13]。同年，隨著蘇聯(lián)解體，俄羅斯通過了GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)，并宣布24衛(wèi)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(wèi)星，于是俄羅斯對其進行了修復(fù)，使該系統(tǒng)能夠再次全面投入運行[14]?，F(xiàn)在，經(jīng)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，于2020年6月23日發(fā)射，并將該星座的規(guī)模擴大到全部衛(wèi)星。歐盟的伽利略系統(tǒng)建設(shè)接近尾聲，預(yù)計到2022年能夠完全運行，其擁有24顆活動衛(wèi)星和6顆備用衛(wèi)星。得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校GNSS專家及航空航天工程和工程力學(xué)副教授Todd Humphrey說：“中國的系統(tǒng)和伽利略系統(tǒng)相當于GPS，但就信號質(zhì)量或定位而言，GLONASS從來都不是GPS的競爭對手?！彼窃摯髮W(xué)無線電導(dǎo)航實驗室的負責(zé)人。

1978年從美國空軍退休的Parkinson說，如果美國空軍支持衛(wèi)星導(dǎo)航的建設(shè)并支持GPS項目，該系統(tǒng)在1985年前后就能完成，而不需要延后到1995年。他進入科羅拉多州柯林斯堡的科羅拉多州立大學(xué)擔(dān)任教授，然后成為Rockwell公司的副主席，之后成為馬薩諸塞州劍橋Intermetrics集團的副總裁。由于他的血液中流淌著GPS的基因，他夢想著衛(wèi)星系統(tǒng)的民用應(yīng)用能夠在軍事機構(gòu)中慢慢形成，將其中許多想法變成現(xiàn)實（圖9）。

1984年，Parkinson回到斯坦福大學(xué)，成為航空航天專業(yè)的教授。在20世紀90年代，除了其他成就外，他還領(lǐng)導(dǎo)了一個研究小組，設(shè)計了一系列高精度民用GPS（其他許多學(xué)術(shù)機構(gòu)和私人公司的數(shù)百名工程師也是如此）。例如，普通的GPS信號為航空公司和其他民用航空公司提供精確的遠程導(dǎo)航，但在黑暗或惡劣天氣下引導(dǎo)飛機進入跑道需要更高精度的信號。在使用GPS系統(tǒng)之前，許多機場都用復(fù)雜而昂貴的儀器著陸系統(tǒng)來提供導(dǎo)航。由美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）贊助，Parkinson、同事和學(xué)生一起幫助開發(fā)了廣域增強系統(tǒng)（WAAS），現(xiàn)在其被廣泛應(yīng)用于美國、加拿大和墨西哥各地（其他國家已經(jīng)在其他地區(qū)部署了類似的系統(tǒng)）。WAAS在傳播信息時，會確保信號的完整性并對自然誤差進行小幅度修正，并在6 s內(nèi)通知用戶有故障的衛(wèi)星信號；其修正定位精度僅有幾米誤差[15]。

在與斯坦福大學(xué)Parkinson研究小組的另一次合作中，美國聯(lián)邦航空局于1992年向聯(lián)合航空公司租借了一架波音737，以進行著陸實驗?；贕PS的位置傳感技術(shù)，即差分GPS，使飛機能夠以厘米的精度測量自己的位置和姿態(tài)，使它的飛行過程達到一個更好的狀態(tài)[11]。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(zhí)行，但由飛行員監(jiān)控）[16]。今天，聯(lián)邦航空局正在授權(quán)使用GPS進行自動化程度較低（第一類）的精度著陸，并承諾制定專門用于GPS的規(guī)范，第三類著陸是可以“盲”著陸的。該機構(gòu)還將通過衛(wèi)星導(dǎo)航確定飛機位置的技術(shù)作為其正在進行的美國空中交通管制系統(tǒng)（NextGen）現(xiàn)代化的核心內(nèi)容。這種大規(guī)模升級始于21世紀初，并計劃至少持續(xù)到2025年。

同樣在20世紀90年代，Parkinson的斯坦福項目追求另一種純地面、高精度的GPS應(yīng)用，得到了美國農(nóng)業(yè)設(shè)備公司John Deere的財政支持和一臺拖拉機。學(xué)生研究小組改裝了拖拉機，增加了基于GPS的導(dǎo)航和控制，并在1996年創(chuàng)造出了世界上第一臺全自動農(nóng)用拖拉機。該控制系統(tǒng)在拖拉機速度為5 m·s–1時，實現(xiàn)了2.54 cm的無人駕駛轉(zhuǎn)向，并在每個維度對車輛進行了單自由度的姿態(tài)測量。這項研究使人們在農(nóng)業(yè)中開始廣泛采用GPS的精確定位，有助于農(nóng)民通過更快、更有效的種植和收獲方式來提高作物產(chǎn)量和降低成本（圖10）。精確地施用化肥和農(nóng)藥也可以減少種植作物對環(huán)境的影響。全球以GPS為基礎(chǔ)的自動化農(nóng)業(yè)年銷售額已超過10億美元 [17]。

科學(xué)家和測量人員開發(fā)了新的測量技術(shù)以提高GPS系統(tǒng)的標稱精度，這需要更多的時間和更復(fù)雜的設(shè)置，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測量有助于從地震學(xué)、滑坡運動和板塊構(gòu)造到大氣和其他環(huán)境研究等領(lǐng)域的科學(xué)研究[18]（圖11）。GNSS的精確測量和制導(dǎo)也已推廣到采礦和快速增加的無人機的控制。同時，普通GPS的應(yīng)用范圍不斷擴大，包括各種應(yīng)急響應(yīng)、救援、野生動物跟蹤、邊境執(zhí)法、捕魚管制和天氣預(yù)報等。

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(tǒng)比爾·克林頓（Bill Clinton）應(yīng)商業(yè)部門的長期呼吁，下令停止選擇可用性技術(shù)，結(jié)束了民用信號的退化（圖12）。有了這一決定以及WAAS修正的應(yīng)用，手機可以在晴天下以2～3 m的精度提供街道導(dǎo)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(wèi)隊正在發(fā)布一個全國性的系統(tǒng)，該系統(tǒng)進行傳播誤差修正，以消除DoD故意犯下的錯誤?！?/p>

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(yīng)用出現(xiàn)了巨大的飛躍。技術(shù)人員根據(jù)當時的技術(shù)水平，從離散的組件中組裝出了早期的大型儀器，因為那時小型、輕便的集成電路技術(shù)還處于起步階段。但在從那之后的大約10年后，這種新型的電路制造方法已經(jīng)成熟到足以將其迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楦?、更?jié)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用戶友好的價格和便攜性，但其價格仍超過10萬美元，重約50 kg，而今天的制造商以不到兩美元的價格就能購買到智能手機使用的小型GPS芯片。

圖9.（a）汽車導(dǎo)航系統(tǒng)；（b）半自動作物噴灑農(nóng)藥；（c）大壩故障自動監(jiān)測；（d）廣域車輛監(jiān)測。這些草圖是由Bradford Parkinson教授在1980年和1981年繪制的，他在1972—1978年擔(dān)任GPS項目的第一位主任，領(lǐng)導(dǎo)了GPS的倡導(dǎo)、設(shè)計和開發(fā)。這些草圖概述了Parkinson當時設(shè)想的GPS的民用應(yīng)用，包括現(xiàn)在無處不在的汽車和其他車輛的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，如今用手機就可以運行，那些印刷的道路地圖基本已經(jīng)過時了。e.t.a.：預(yù)計到達時間。來源：Bradford Parkinson，已獲得許可。

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(dǎo)衛(wèi)星輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。（b）在精確GPS的指導(dǎo)下，Precision Maxes（Lee’s Summit, Mo, USA）在美國馬薩諸塞州桑德蘭創(chuàng)建了這個玉米迷宮。來源：bdk, Wikimedia Commons (CCBYSA3.0)；Precision Mazes (public domain)。

圖11.（a）2005年，史密森學(xué)會的一名研究人員使用高精度GPS設(shè)備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(zhì)調(diào)查局（USGS）的一個團隊建立了一個便攜式“蜘蛛”儀器包，其中包含高精度GPS裝置，以監(jiān)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)。

當GPS在沙漠風(fēng)暴以及隨后的索馬里、波斯尼亞和其他地方進行的軍事行動都取得成功后，美國軍方最終接受了其衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)?！巴蝗?，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(fā)GPS的航天工程師被嘲笑為“Space weenies”的思想，成為了DoD武器系統(tǒng)、任務(wù)和演習(xí)的一個重要組成部分。在2020財政年度報告中，美國聯(lián)邦政府對GPS軍事和民用應(yīng)用的年度撥款總額接近18億美元[19]。

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，兩個圖分別繪制了24 h的GPS數(shù)據(jù)——2000年5 月2日停止SA的前一天（a）和停止后的第二天（b）。左邊有SA的點跡顯示精度在約45 m半徑內(nèi)；右邊沒有SA的點跡顯示精度在約6 m半徑內(nèi)。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)。

4.結(jié)束意見

4.1.不可或缺

為維護和改進GPS系統(tǒng)所提供的資金使GPS能夠匹配迅速變化的技術(shù)。隨著舊衛(wèi)星的退役，美國不斷用升級過的衛(wèi)星取代星座中的舊衛(wèi)星（圖13）。美國空軍于2020年11月5日發(fā)射了該系統(tǒng)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(wèi)星，包括1989—2016年先后發(fā)射的5個不同且更先進的系列子代衛(wèi)星。對衛(wèi)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(shù)家繪制的第二代GPS Block IIA衛(wèi)星圖；這些衛(wèi)星在1989—1997年發(fā)射，現(xiàn)在都已退役，最后一顆衛(wèi)星在2019年退役。目前的GPS星座大部分由最近的第二代GPS衛(wèi)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）在運行。來源：GPS.gov (public domaion)。

然而，隨著GPS系統(tǒng)的價值和關(guān)鍵應(yīng)用數(shù)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[20]。欺騙者用誤導(dǎo)性的數(shù)據(jù)向GPS接收機發(fā)送虛假信號來欺騙用戶，而干擾者在相同頻率范圍內(nèi)用強大的、無意義的信號覆蓋正常信號。為了應(yīng)對這種威脅，美國空軍已經(jīng)更新了帶有附加測距信號和特定頻率的GPS，接收機和天線的制造商也應(yīng)用了更強大的技術(shù)來檢測欺騙干擾和抵抗干擾。

人們在各種日?；顒又腥找嬉蕾嘒NSS的基礎(chǔ)建設(shè)。美國政府最近發(fā)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[21,22]。該研究進一步詳細說明了系統(tǒng)中斷30天可能導(dǎo)致的后果，假設(shè)的故障也會影響其他GNSS網(wǎng)絡(luò)——Parkinson認為這種可能性極小。報告指出，失去GPS服務(wù)一個月可能會因為電信網(wǎng)絡(luò)崩潰而造成大范圍的動蕩。美國的農(nóng)作物生產(chǎn)將會被中斷，因為美國農(nóng)民已經(jīng)廣泛使用了自動化拖拉機、收割機和其他依靠GPS數(shù)據(jù)來運行的精確移動設(shè)備。再加上其他由GPS支持的服務(wù)的失效，這些影響及其后果將在短短30天的時間內(nèi)對美國造成300億～450億美元的經(jīng)濟損失。雖然至少從2004年起，美國歷屆總統(tǒng)政府的國會法案和指令就要求實施地面PNT服務(wù)，以支持GPS/GNSS，但目前還沒有這樣的通用系統(tǒng)。然而，在航空運輸方面，聯(lián)邦航空局計劃繼續(xù)在美國各地運行一套最低限度的無線電導(dǎo)航地面站，以確保具有備用的飛行路徑和著陸制導(dǎo)，盡管其精度和高度低于GPS和其他GNSS。美國總統(tǒng)于2020年2月12日發(fā)布的一項行政命令再次要求政府機構(gòu)制定基于非GNSS的PNT服務(wù)的后備計劃[23]。

圖14.自2018年以來，截至2020年11月，已有4顆第三代（GPS III）衛(wèi)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(wèi)星SV 03，于2020年6月從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍站升空。（b）藝術(shù)家繪制的GPS III衛(wèi)星圖；這些最新一代衛(wèi)星的預(yù)期壽命為15 年。來源：SpaceX (public domaion)；GPS.gov (public domaion)。

幸運的是，GNSS星座及其所有后備衛(wèi)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(wèi)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(qū)的一座小山峰上，他看了看自己的手機，發(fā)現(xiàn)它收集了來自11顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。雖然美國聯(lián)邦通信委員會最近才授權(quán)使用歐盟的伽利略系統(tǒng)，但GNSS芯片制造商已經(jīng)將全球所有星座以及所有區(qū)域增強系統(tǒng)納入其最新一代芯片。

在今后幾十年中，GPS及其姐妹系統(tǒng)GNSS預(yù)計將繼續(xù)作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，用于幫助創(chuàng)建新的連接、服務(wù)和功能。舉例來說，截至2020年2月，至少有34個國家已經(jīng)開始部署5G，即下一代無線通信。這種新技術(shù)承載數(shù)據(jù)下載速度可達每秒20 GB，比4G快數(shù)百倍。下一代無線通信對于包括自動駕駛汽車和所謂的“智能城市”在內(nèi)的新技術(shù)至關(guān)重要[24]。這些基于5G的新技術(shù)越來越依賴于GNSS星座提供的PNT信號。

4.2.時間線

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

表1 GPS發(fā)展里程碑的時間線

4.3.繼續(xù)服役

GPS持續(xù)為全人類服務(wù)。關(guān)于日常傳播的GPS信號設(shè)計，Parkinson寫道：“截至2010年，大約95%的GPS信息經(jīng)受住了考驗，不需要任何改變，這是對1975年設(shè)計了信號結(jié)構(gòu)的杰出工程師和科學(xué)家的偉大致敬，它已經(jīng)持續(xù)了35年，卻幾乎不需要修改。”他是關(guān)于GPS起源的系列文章（由兩部分組成）的第一作者，該系列發(fā)表在2010年5月和6月的行業(yè)刊物GPS World上[9,11]。

GPS為世界上許多目前占主導(dǎo)地位的技術(shù)提供了基礎(chǔ)設(shè)施，其高精確的位置和時間信息使各種技術(shù)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?nèi)找鎻?fù)雜的數(shù)字世界。特別是GPS能夠同時向無限數(shù)量的接收機進行傳播的能力，允許應(yīng)用程序和用戶數(shù)量無限增長。這一工程成果經(jīng)過了現(xiàn)代化和更新，但基本上沒有變化，它是導(dǎo)航、通信、計算機網(wǎng)絡(luò)、武器、科學(xué)研究、金融、交通和許多其他領(lǐng)域的無數(shù)先進應(yīng)用的核心組成部分[25]。

“革命還在繼續(xù)，”Parkinson 2020年1月在加利福尼亞州山景城的谷歌發(fā)表的演講中說，“驅(qū)動GPS的‘引擎’是工程學(xué)。電氣工程和計算機科學(xué)是其中的核心，但所有的工程學(xué)科都參與其中?！?/p>

4.4.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項目，領(lǐng)導(dǎo)了其設(shè)計和實施的早期和關(guān)鍵階段（圖15）?，F(xiàn)在，Parkinson是位于加利福尼亞州帕洛阿爾托的斯坦福大學(xué)航空航天的名譽退休教授，但他在定位、導(dǎo)航和計時領(lǐng)域仍然非常活躍。1978年P(guān)arkinson從美國空軍退役后，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界工作了幾年，然后成為了斯坦福大學(xué)的教員，領(lǐng)導(dǎo)了一個研究小組，主要開發(fā)一個不斷擴大的GPS應(yīng)用陣列。

在該項目投入使用25余年之后，將自己稱作“革命家”的Parkinson回答了關(guān)于這一主要工程成就的問題。

WEISS：1962年，美國總統(tǒng)約翰·F.肯尼迪發(fā)表了一篇著名的演講，講述了民用航天機構(gòu)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(jīng)設(shè)計和建造了第一個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。這兩項成就標志著美國太空時代的到來，那么這兩個項目之間有聯(lián)系嗎？

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(xué)院的Draper實驗室為阿波羅計劃提供指導(dǎo)。我認識的Draper博士對衛(wèi)星導(dǎo)航有著狂熱的興趣。因為這是太空中的信號，不是獨立的，他說過，“人能生產(chǎn)出來東西，也能摧毀或破壞?！彪m然NASA從未參與過GPS的開發(fā)、管理或技術(shù)研究，但也有一個巧合。我們的GPS衛(wèi)星是由Rockwell國際公司制造的。Rockwell同時也在建造航天飛機，它是阿波羅號的“直接繼承者”。航天飛機和GPS有不同的部門，但如果GPS需要工程師來解決空氣動力學(xué)、熱力學(xué)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航天飛機的相關(guān)知識，而是因為他們了解通用技術(shù)的基礎(chǔ)知識。

WEISS：許多美國高級軍官，即使是在參與GPS項目的美國空軍中，也有人不想要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS是如何在這種反對聲中幸存下來的呢？

PARKINSON：Malcolm Currie博士是一位擁有物理學(xué)博士學(xué)位的職員，他負責(zé)整個美國國防部的所有研發(fā)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?！痹谖覀冇懻摰淖詈?，一些神奇的事情發(fā)生了。Currie博士成為我們項目的擁護者，我們開始了直接且非正式的交流。1978年，我們對四顆衛(wèi)星演示系統(tǒng)進行了廣泛測試并證明其可行性，但是當我們實現(xiàn)了所有的目標時，空軍仍然不想資助它。但是五角大樓的領(lǐng)導(dǎo)層（事實上是Currie博士），對此事進行了干預(yù)，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(yù)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項目的時候，是什么讓你能夠繼續(xù)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，作為該項目的新負責(zé)人，我?guī)缀醢盐沂窒滤械娜硕紦Q掉了，不是因為他們不好，而是這個項目需要一群敬業(yè)、不屈不撓而且無私的人。于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。不管付出什么代價，你都不能讓團隊失望。

到每天上午11:30左右，我的腦子里都會有大量的問題。我的解決辦法是每天中午去跑步，至少跑四英里。而每到周五，我總是要跑十英里。當我回來的時候，我會精神煥發(fā)，積極向上，并想出新的行動方案。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(yīng)對方式。

此外，每個周五晚上，我們都會去軍官俱樂部一起喝啤酒。在那里有笑話和友情，但也有技術(shù)討論，有很多問題都在聚會中得以解決。當我在奮斗時，我們會在筋疲力盡6個小時后在軍官俱樂部聚會。我們這一群人始終在談?wù)撐覀儜?yīng)該做什么，戰(zhàn)術(shù)是什么，結(jié)果是什么。同時我們也在娛樂，享受彼此的尊重。GPS小組周五的啤酒聚會的氣氛總是很相似的。跑步和周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(guān)重要。我以前從沒有治好的胃病，也隨之消失了。

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(xué)任教，他仍擔(dān)任航空航天名譽教授。來源：The Aerospace Corporation (public domain); Courtesy of Brad Parkinson。

WEISS：是什么促使軍方提供民用服務(wù)的？

PARKINSON：在我們發(fā)射第一顆衛(wèi)星之前，我向國會提供了證詞，說我們將會提供民用信號，但沒有保證我會公布使用它的方法。然后每個人都問我，“你是怎么做出那個決定的？”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(yīng)該這樣。據(jù)我所知，第一個GPS的民用裝置是由英國利茲大學(xué)的學(xué)生在Peter Daly教授的指導(dǎo)下建造的。他們表明，我們確實提供了允許非軍事用戶使用導(dǎo)航系統(tǒng)的規(guī)范。

WEISS：您曾經(jīng)說過，您驚訝于GPS在民用應(yīng)用方面的迅速發(fā)展。

PARKINSON：在GPS應(yīng)用中，GPS對農(nóng)業(yè)方面的市場產(chǎn)生巨大的拉動作用。1996年，我在斯坦福大學(xué)的學(xué)生設(shè)計了第一臺由GPS引導(dǎo)的機器人拖拉機，他們通過對商業(yè)模型進行改造，使其可以通過衛(wèi)星信號以極高精度在農(nóng)田中進行自動導(dǎo)航。農(nóng)場設(shè)備制造商John Deere為我們提供了一輛拖拉機和大量資金，但他們當時對于農(nóng)民是否想要自動導(dǎo)航持懷疑態(tài)度。事實證明，他們的懷疑是錯誤的。在不到15年的時間里，機械農(nóng)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(shù)字又翻了一倍多。

完全采用GPS控制飛機著陸是一個緩慢的過程。1992年，多虧美國聯(lián)合航空公司和美國聯(lián)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(lián)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(tǒng)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(xiàn)在已經(jīng)28年了，這幾乎是一個人的職業(yè)生涯。

WEISS：什么事讓您感到吃驚？

PARKINSON：我對那些我曾認為不可行的領(lǐng)域感到驚異，比如用GPS定位飛船。對于低于GPS衛(wèi)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(jīng)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杰作。一項即將進行的實驗將利用GPS衛(wèi)星的剩余能量為繞月球運行的飛行器進行導(dǎo)航，這些能量從GPS衛(wèi)星射向地球表面。我也驚訝于研究構(gòu)造板塊的人們是如何測量板塊邊界兩側(cè)的相對運動的，其在三維空間中的精確度能小于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。

事后看來，我本應(yīng)該靠著汽車導(dǎo)航發(fā)一筆財?shù)摹Ｋ俏以?980年左右設(shè)想出的6個潛在應(yīng)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(zhuǎn)彎的時間，還有一個通訊連接。我認為這一切都相當巧妙，但我們當時什么也沒做，因為我們沒有預(yù)料到無處不在的手機的出現(xiàn)。

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(guān)注。您的觀點是什么？

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。其實并不是，我們知道如何制造幾乎能夠抵御這些攻擊的GPS接收機。這些接收機比我們的手機要復(fù)雜得多，它們可以承受強大的干擾，并完全隔離任何干擾。

1978年，我們用很大一部分預(yù)算組裝了一個極好的接收機，我在運行這個程序時展示了應(yīng)對干擾和欺騙的對策。你猜發(fā)生了什么？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(shù)。商業(yè)航空電子設(shè)備制造商可以制造這種接收機，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(guān)重要的、有關(guān)生命安全的應(yīng)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(xiàn)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(shù)問題。

Acknowledgements

The author thanks David E.Egerter, PhD, for his patient support and editing.He especially thanks, for his time, insights, and willingness to explain, Professor Bradford W.Parkinson, without whom this article—and GPS—might not exist.