首先，GPS 是什么？
GPS（Global Positioning System）全球定位系统始于 20 世纪 70 年代，由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供即时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。理论上，24 颗 GPS 卫星在离地面 2 万公里的高空上，以约 12 小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点（98%）都可以同时观测到 4 颗以上的卫星。
这样根据三维空间定位原理，就足够实现定位（4 颗卫星构建 4 个方程式解决 4 个未知数：三维座标和接收机钟差资讯）。后来经过扩展，它的卫星数稳定在 32 颗左右，它们分布在 6 个平面上，轨道倾角为 55 度，达到最优设计。由于卫星的寿命长短不一，美国每年都会发射一些卫星更新这个系统。
▲ 来自美国官方
GPS 讯号包括两种，一种是普通民用码，所有的接收机都能用；另一种是军码，不用解释了，除了美国和它的盟友，其他人不要想了。这两个精度差多少，百倍左右，你的手机和车载导航软件里，用的就是普通民用码，所以你的精度是定到某条街上。
第二、GPS 定位在近地空间能干什么？
它的应用实在太广泛了，因为它是一种无源定位系统。简而言之的原理就是只要你有一个接收机，能接收到它的讯号（低于它的轨道高度，20,200 公里左右，GPS 讯号都是指向地球发射的），从理论上讲可以容纳无限个接收机工作，任何一个接收机如果有至少 4 颗卫星资讯就可以定位。
所以它的应用可谓从天到地，大家关心的太空，在近地轨道是完全没有任何问题的！下图是欧空局的 GOCE（做地球重力与全球洋流的）卫星用 GPS 定位示意图：
▲ 来自欧空局官网
近地轨道（轨道高度<1,000 公里）是应用最广泛的太空领域，人类的地球观测卫星（各种资源卫星、科学研究卫星比如重力、磁场、洋流、几乎所有的间谍卫星）都处在这个高度范围内。
大致的低轨卫星定位原理是什么呢？
▲ 来自本人科研课题
这是我做报告的 PPT 截图，大概意思是为了确定低轨卫星的轨道：
你要有一个超高档的星载 GPS 接收机（没有几个国家搞得到），很多星象辅助仪器资料，加上对地球进行各种复杂动力学建模（重力场、海洋潮汐、太阳光压、地球固体潮、地球大气潮、三体引力等），加上工程实践的各种算法中补偿措施，再加上工程实践的经验模型，最后可以算出低轨卫星的轨道，然后打个激光检验一下，就知道自己算的精度啦。
这是 GPS 在太空的绝大多数应用，换句话说，GPS 的应用在于帮助低轨卫星确定自己的精确位置，但这个精度要求远远高于普通导航仪和手机的精度而已。
第三、这个应用的精度有多高？
目前的科研进展是，给单个卫星定轨道的精度是即时 30 公分（cm） / 事后定位 2 公分左右，这是个什么概念呢？低轨卫星的飞行速度在 7000m/s 以上，地面上声速的 20 倍以上，世界最快飞行子弹（狙击步枪）速度的 7 倍以上，2 公分的精度是不是很震撼？而且是连续定位，每时每刻都能有很精确的轨道，要知道这些低轨卫星离 GPS 可是 2 万公里以上的！
远不只如此，对于编队飞行的卫星，可以形成独特的双差基线，GPS 辅助编队卫星的定位精度会大大提高，达到 0.5 公分级别（用星上单向的高频精度为微米级的雷达检验），这个世界纪录目前就是我们组保持的。这是个什么概念，如果让两只蚊子跳一个华尔滋，一只蚊子在荷兰首都阿姆斯特丹，另一只蚊子在法国首都巴黎，这个精度足够帮它们校正同步动作了。下面是欧洲和美国最近几个任务做出的结果（来自我的科研课题）。
▲ 来自本人科研课题
这些精度能满足什么呢？所有类型低轨卫星的精密轨道确定，轨道转移机动，空间交会对接，人类所有的载人航太任务都可以用到，而且 GPS 带来的精度提高是质变。
另外，当有了高精度的位置，如果你有多天线，可以构成天线阵精确测出角度。如果你有了高精度速度（可以透过 GPS 测出），可以精确推出加速度或滚动加速度，与很多其他仪器形成冗余备份甚至取代。但是很不幸，这些所有的应用必须基于军码，民码根本不可能！
第四、轨道精确的意义是什么？
轨道精确的意义自然不用说，所有的对地观测仪器都需要精确知道它们的位置才能反推并应用它们的资料，否则同样一组资料，你弄不清楚测的到底是北京的还是天津的，还有什么意义？GPS 的出现，极大提高了人类的低轨卫星定轨精度，直接往公分级别冲。
科学应用，举一个最简单的例子，GPS 定位的重力卫星因为本身轨道精度大大提高，反向把地球重力场模型精度提高了 100 倍以上。而重力场能干什么，不仅能用于研究南极和格陵兰岛的冰层变化，还能研究各国地下水位变化，以及地球板块运动。
我们组有一篇著名的论文，东日本大地震的时候，GOCE 卫星精确测量出了地震波是如何一步一步在高层大气中对外传播的，其中一部分重要资料就来自上面的星载 GPS 接收机。
军事战略应用，美国这么多间谍卫星，动辄拿出吓死人的地面分辨率，能看清车牌、一根香烟。试问一句，离了上面精确的轨道可能做到吗？另外，高精度的区域重力场也能给巡航 / 战略导弹提供人工无法改变的绝对重力资讯，干扰这种敏感器，难道你在地上突然造一座山、挖个湖改变地貌不成？
军事战术应用，要知道那是给低轨卫星用，就已经达到了公分级精度，如果给导弹、战车、单兵、飞机全部都装上会有什么效果？
事实上，目前美国基本所有的武器，凡是有导航要求（需要知道自己位置）的，全部都装了 GPS。那些夸张精度、战斗力惊人的导弹和炸弹，都有 GPS 在给出它们位置帮助制导校正，保驾护航。看这个 MK-82 激光 / GPS 制导炸弹，GPS 天线稳当的在上面。
▲ 来自美国空军官网
第五、既然 GPS 是无源定位，理论容量无限，为什么中国还自建北斗系统？
这是一个很大很大的棋。
想一想，中国有多少民用车载导航、手机个人导航、航海导航乃至无数制导武器，都用了 GPS？但细思极恐，有以下几个理由，中国当然需要无条件搞出自己的系统！
1. 美国不会给你接收机的。因为 GPS 是美国军方搞得也是军方控制的，所有的核心芯片只有美国人能做出来且极其严格保密。
所以民用的，拿出来赚钱，我们可以用没有问题；军用的，包括低轨卫星上用的，再见，呵呵！即便是欧洲，上面提到的欧空局卫星上用的 GPS 接收机，基本都来自美国太空总署的喷气推进实验室，绝对垄断。
2. 控制方是大爷。
GPS 在建成后放开民用市场时有一个 selective availability 政策，什么意思呢？他们人工给所有的民用码加了巨大的噪声，导致你定位不准。后来俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）竞争日趋猛烈，美国一激动 2000 年 5 月 2 日取消了，变化有多大，如图所示，美国动动手改个指令精度就提高几十倍。然后格洛纳斯就没有希望了。
▲ 来自美国史丹佛大学 GPS 应用实验室
看到早上 6 点发生什么了吗？
同样的道理，对美国而言，哪天心情不好了，除了美国的军用接收机，能轻轻松松让全世界的所有民用和非正当管道搞来的所谓“军用接收机”全瞎！所以你如果用了 GPS 在你们的武器里做为导航（比如像大家的车一样装 GPS 导航仪），其他各国基本上就不用玩了。
3. 如果只是失效还就算了，还有一个可怕的——释放干扰讯号。
反正 GPS 讯号都是美方的工程师做的，一旦有应用，我释放一个假的讯号源，一模一样的讯号结构，只是不同的资讯内容但强度大很多。那你所有的武器、卫星接收到的都是假的位置资讯，发生什么，你自己发的导弹走成什么漂亮的飘移弧线，你能预测吗？也许在你面前就是一朵灿烂的烟火了……不拐回来找我们就挺好的。
总结
所以全世界在用了 GPS 这么爽之后，各国政府想一想都被美国牢牢控制不禁一身冷汗啊，然后都掀起了搞自己导航系统的热潮──
苏联 / 俄罗斯的格洛纳斯原本能和美国抗衡，后来苏联解体就没有经费了，去年俄罗斯又接二连三的发射失败，这个系统已经残疾了；
欧洲的伽利略，我们都无语了，原来要当北斗的参考指标，现在毫无进展，都要找中国参考了；
法国做了自己的多普勒系统，但特别有局限性，除了他们自己用几乎没人用了；
日本和印度也在发挥特长，建立地域性的类似 GPS 系统，但没接上美国的 GPS 基本上也是废了。
目前真的只有中国的北斗跟美国 GPS 有得一拼了，多方面的技术上一点都不落后。北斗的技术实力有一定的水准，接下来的定位系统可能就剩中国的斗系统与美国的 GPS 两大系统的拼夺了。
注：本文作者毛新愿，荷兰台夫特理工大学航太工程专业博士，主攻低轨卫星定轨，北斗 / GPS。
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