SpaceX推遲發射！什麼是第三代GPS？

【中關村在線原創】本來預定在這兩天發射上天的第三代GPS衛星又發射推遲了，因為美國空軍和SpaceX要對發射衛星的Falcon9Block5火箭進行檢查，發射要推遲到十月份完成。但是且慢，這裡有了新名詞：第三代GPS衛星，這是什麼？我們用的是第二代嗎？他們有什麼區別？

第三代GPS衛星發射由SpaceX完成（圖：SpaceX.com）

GPS的由來

在以前，大海航行靠舵手，其實靠的是導航的手段。這裡主要是利用恆星定位，白天有太陽，晚上用六分儀來確定恆星高度，如果看過施瓦辛格和史泰龍主演的電影《金蟬脫殼》，會有更深刻的印象。但是科技在發展，美軍為了大致定位軍艦的位置，DARPA在1960-1980年代搞了一個子午儀衛星定位系統（Transit，GNSS），衛星數量不多只有5、6顆，軌道每天繞地球13圈，並不是像我們今天這樣實時的定位，並且只能定位位置不能定位高度。這套系統雖然精度差，但是卻證明了通過衛星來定位位置的可行性。

子午儀的定位衛星（圖：wikipedia）

技術進步：現在手機內置的GPS，幾十年前要這些設備（圖：wikipedia）

如果一套更成熟的系統豈不是更好？這種實在的需求對於美國海陸空三軍來說都非常重要，於是海軍和空軍都提出了自己的定位衛星組網方案，其中海軍的沒有高度，空軍的有。不過不同軍種就要兩個系統太昂貴，所以1973年美國國防部決定將兩個定位系統合二為一，整個項目由衛星導航定位聯合計劃辦公室（JPO）領導。

JPO最初設計的GPS由24顆衛星組成，每個衛星的軌道高度大約2萬公里。24個衛星分布在6個軌道上每個軌道4顆，這樣在地球上任何一點，都可以收到至少6-9顆衛星的信號，提供粗碼精度100米，精碼精度10米的定位能力。不過美軍也預算緊張，削減了GPS的預算，變成了18顆衛星的方案，但是這個方案就不能保證可靠性，於是在1988年最後修改變成了21顆衛星，3顆備用的方案。

GPS系統的最終組網衛星方案（圖片：gps.org)

1978-1979年，是方案的論證階段，這時候發射上天4顆衛星，這些衛星是試驗衛星，這時候研製了地面接收機和衛星跟蹤的地面網路，結果令人滿意。1979-1984年，發射上天了7顆衛星，這些被稱之為Block1，結果測試發現，僅僅粗碼的精度就達到了14米，遠遠超過了設計指標！結果令人振奮。

最早投入實用的BlockII/BlockIIAGPS衛星，已經全部退役(圖：gps.com)

1989年，在最終方案確定下來之後，開始發射正經的工作衛星，這些衛星的型號稱之為BlockII以及BlockIIA，衛星壽命只有7年，因此最後一刻這一代的衛星也在2016年退役了。

現在在用的衛星有11顆是BlockIIR型號，這種型號沿用了軍民信號分開的設計。不過在柯林頓執政時期，已經不再區分民用軍用，所有GPS信號一視同仁都是軍用級別的1米定位精度。柯林頓取消定位精度的時間是2000年，所以這一代衛星還是分開的軍民信號，當然實際使用的時候因為沒有了干擾的SA碼軍民是一樣的。這些GPS衛星是1997-2004年陸續發射上天的.

BlockIIR型GPS衛星，最後一代區分軍民定位精度的產品

2005-2009發射了7顆現在正在用的BlockIIM型號GPS衛星，增加了軍用信號的抗干擾能力，並且可以調整軍用信號強度。

現在使用的BlockIIF衛星新的原子鐘讓定位更准

2010-2016發射了12顆BlockIIF型GPS微信，壽命從7.5年增加到了12年，使用了新型原子鐘提高定位精度。以上所有的這些組成了我們今天GPS信號的30顆衛星，雖然理論上24個就夠了，但在新陳代謝的過程中，實際服役的要比理論上的多。

GPS的定位原理其實並不複雜，只要GPS衛星不斷的發送自己的時間、位置信號，手機端接收到多個GPS的信號就可以確定自己的三維坐標位置。一共需要坐標的XYZ及時間T四個常量，這也是GPS設計的時候要求至少收到4個衛星信號的原因，3個衛星是無法定位的。

GPS如何工作的（圖：si.edu)

這其中時間的單位T就很重要，因為軌道高度只有兩萬公里，對於以光速傳播的電磁波來說瞬間就到了地球，這個時間越准，那麼定位精度就越高，所以GPS衛星上的原子鐘一直在升級。

GPS衛星上使用的銣原子鐘（圖：si.edu)

早期試驗型衛星採用由霍普金斯大學研製的石英振蕩器，相對頻率穩定度為10^{{-11}}秒。誤差為14m。1974年以後，GPS衛星採用銣原子鐘，相對頻率穩定度達到10^{-12}/秒，誤差8m。1977年，BLOCKII型採用了馬斯頻率和時間系統公司研製的銫原子鐘後，相對穩定頻率達到10^{-13}/秒，誤差再降為2.9m。1981年，休斯公司研製的相對穩定頻率為10^{-14}/秒的氫原子鐘使BLOCKIIR型衛星誤差降至僅為1m。新的BlockIIF衛星使用的則是使用了兩個銣鍾一個銫鐘，時間信號精度比BlockIIR再提高一倍。

狹義相對論和廣義相對論共同作用下，GPS的時鐘比地球快（圖：worldpress.com)

早在1955年，就有科學家想像了把精準的原子鐘放到衛星上去比較和地球上時間的差別來驗證狹義相對論的理論：速度越快時間流逝的越慢。實際上GPS衛星速度很快，時速1.4萬公里，根據狹義相對論，每天慢7微妙；但是根據廣義相對論，地球的巨大質量扭曲了時空，所以地球表面的時間流逝也要比2萬公里上的GPS衛星慢，根據廣義相對論的計算就是GPS每天反而快45微秒，抵消之後就是每天快38微秒。

組裝GPS衛星的時候要調整時鐘（圖:boeing.com)

要知道GPS衛星時鐘精度是納秒級別的，38毫秒就是38000納秒，相當於每天積累10公里定位誤差，所以GPS衛星上天之前要把時鐘頻率調慢100億分之4.465，即10.23兆赫調為10.22999999543兆赫.

那麼修改計划到今年10月上天的第三代GPS有哪些進步呢？這體現在多個方面.從日常GPS用戶（區分GPS的根本目的軍用定位）的角度來看，最重要的可能是第二個民用GPS信號，稱為L2C。與當今大多數GPS接收使用的傳統L1C/A信號相比，L2C信號更清晰並且更容易接收。

第三代GPS的宣傳（ImageCredit：LockheedMartin）

這意味著L2C將更容易在城市高樓林立環境中，在茂密的森林，甚至在室內進行接收。L2C還有另外一個真正的具體優勢：與舊式L1C/A一起操作L2C意味著只有通過比較這兩個信號，配備L2C的GPS接收器才能夠補償特定GPS衛星的電離層延遲誤差。電離層延遲是現有L1C/A信號中誤差的最大原因，GPS單元現在通過使用其他信息源（如FAA的廣域增強系統或附近Wi-Fi熱點的位置。通過能夠在不依賴其他來源的情況下補償電離層延遲，來自L2C信號的位置數據應該更加準確。目前的民用GPS在大約3米以內是精確的，但使用L2C的GPS系統應該精確到大約1米以內，而這個精度並不依賴地面基站差分來提高精度。

三代GPS上的L5信號（圖：psu.edu)

第三代GPS上還有有第三個新的民用信號，稱之為L5，也被稱為「生命安全」信號，主要用於航空和運輸。它是L2C信號的兩倍（因此它更容易接收），具有更大的帶寬，可以在大範圍內操作（具有增強功能），並具有增強的信號結構，因此可以攜帶更多的數據。雖然目標是運輸，但L5信號具有日常應用：能夠處理L1C/A，L2C和L5的接收器應能夠利用稱為三角的技術來利用所有三個信號，以使定位精度達到小於1米。

三代GPS上的信號單個衛星的就已經很豐富了，但是一個衛星肯定改善有限，到2025年，三代GPS計劃一期才會布局完畢，發射上天一共10顆，現在已經造好了三顆。

第三代GPS是洛克希德-馬丁製造的（ImageCredit：LockheedMarting)

到2026年，將迎來BlockIIIF型號的GPS衛星，目前還在開發階段。前年美國空軍給波音、洛克希德馬丁和諾斯羅普格魯門每個公司600萬美元要求提供3代GPS下一代的研究競標。

問題在於BlockIIIA的GPS已經拖延了（圖：wikipedia.com）

2017年4月19日，美國空軍太空司令部宣布啟動第二階段採購戰略，GPSBlockIIIF的採購戰略是將所有22個BlockIIIF衛星的製造合同授予同一承包商。在2017年11月，美國空軍宣布開發全數字導航GPSBlockIIIF衛星的有效載荷已經完成。這個合同價值高達100億美元。問題在於，BlockIIIA計劃時間表由於導航有效載荷的問題而多次延遲，最快可能要今年10月才能上天，所以到2035年的再發射22個BlockIIIF衛星組網的計劃未必能實現，而屆時我們的北斗或許已經完成了計劃中的組網。

未來太空將出現多種不同的導航衛星系統（圖：freeyeti.com)

GPS、北斗、伽利略都是什麼關係？其實現在無論GPS、北斗、Glonass還是伽利略，都是對我們民用免費，這稱之為全球導航衛星系統GNSS。對於我們民用來說，無論手機還是其它支持多制式會帶來更準確的定位精度，是好事情，我們作為用戶在未來，只會感受到越來越準確的定位服務基礎之上的再開發，而不用去管它們在我們手機裡面是怎麼協同工作的，事實上今天的智能系統給出的定位是多種系統共同作用後算出來的：這對於未來的自動駕駛等等非常重要，尤其是可能的厘米級的定位精度。

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