每经编辑｜陈少云    

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仰(yang)望星辰，定(ding)位(wei)乾(qian)坤(kun)：GPS的诞(dan)生(sheng)与(yu)精准奥秘

在人(ren)类探(tan)索未(wei)知、丈(zhang)量世(shi)界(jie)的漫长(zhang)征途(tu)中，定位导(dao)航始终(zhong)是至(zhi)关(guan)重要的(de)一(yi)环(huan)。从(cong)古代的(de)观(guan)星辨(bian)向，到近(jin)代的罗(luo)盘与(yu)地图，再(zai)到现代的雷达与(yu)声呐，我们(men)从(cong)未(wei)停止过对(dui)更精(jing)准、更(geng)便捷定位(wei)方式的(de)追求。而(er)美国十(shi)次导(dao)航(hang)系(xi)统(tong)（GlobalPositioningSystem，简(jian)称(cheng)GPS）的出(chu)现，无疑(yi)是(shi)这场追(zhui)求中的一座(zuo)里(li)程(cheng)碑，它以触(chu)及宇宙的姿态(tai)，将地球(qiu)这颗蓝色星(xing)球以(yi)前所未(wei)有的精度呈(cheng)现在世人(ren)面(mian)前(qian)，悄然重(zhong)塑(su)着我(wo)们的生活、工作(zuo)乃至思考(kao)方式(shi)。

GPS的故(gu)事(shi)，始于冷(leng)战时(shi)期。1957年，苏联成功发射了第(di)一颗人造卫星(xing)“斯普(pu)特尼克1号”，这(zhe)颗小(xiao)小(xiao)的(de)金(jin)属球(qiu)划破(po)寂(ji)静(jing)的(de)太空(kong)，却(que)在地球上引(yin)发(fa)了巨(ju)大的(de)波(bo)澜(lan)，也催(cui)生了美(mei)国国防(fang)部对(dui)太(tai)空(kong)技(ji)术的极(ji)大重(zhong)视。科(ke)学家们(men)敏锐地(di)意识(shi)到(dao)，如果能(neng)够利(li)用卫星来(lai)传递信(xin)息，那么(me)精确(que)的定(ding)位导(dao)航将(jiang)不再是遥(yao)不可(ke)及的梦想(xiang)。

经过(guo)多年(nian)的研(yan)究与论证，美(mei)国国防部于1973年(nian)正(zheng)式启动了GPS项目(mu)，并命(ming)名为“NavstarGPS”。这个(ge)庞大的(de)系(xi)统，旨(zhi)在(zai)为美(mei)国及其(qi)盟友提(ti)供(gong)全天候(hou)、全球(qiu)性的高精度(du)导航和定位服(fu)务。

GPS系(xi)统的(de)核心(xin)，是(shi)由围绕(rao)地(di)球(qiu)运(yun)行的近(jin)30颗(ke)卫(wei)星组(zu)成的(de)星座。这些卫(wei)星(xing)并非漫(man)无目的(de)地漂(piao)浮，而是按照(zhao)精确设计(ji)的(de)轨道(dao)，以大(da)约每(mei)12小时绕地球一(yi)周(zhou)的速度运行(xing)。每一(yi)颗(ke)卫(wei)星都(dou)携带(dai)着(zhe)高精度原子钟(zhong)，并不断向地(di)面广播包(bao)含(han)其(qi)自身轨道(dao)信(xin)息、卫星时钟(zhong)校准(zhun)信息(xi)以及当前时间(jian)的信号(hao)。

接(jie)收GPS信(xin)号(hao)的(de)终(zhong)端设备(bei)，例如(ru)我们(men)手机(ji)里(li)的(de)GPS芯片，就(jiu)像一位(wei)勤奋(fen)的(de)学(xue)生，静(jing)静地聆听着来(lai)自(zi)太空的“教诲”。当至(zhi)少四颗(ke)卫(wei)星同时向接收器发送(song)信号时(shi)，接收(shou)器(qi)就(jiu)能通过计算信(xin)号传(chuan)播到(dao)接收器所(suo)需的时间(jian)，从而推算(suan)出自身与(yu)这四(si)颗卫星之间的距(ju)离。这个(ge)过程，专业上称(cheng)为“伪距测(ce)量(liang)”。

由(you)于信(xin)号传播速(su)度是已知的（光(guang)速(su)），通过(guo)测量时(shi)间差，接收器(qi)便(bian)能(neng)获(huo)得与每颗(ke)卫(wei)星(xing)的距(ju)离。

有了与(yu)四(si)颗(ke)卫(wei)星(xing)的距(ju)离(li)，我(wo)们就(jiu)可以利用(yong)三维(wei)空间(jian)中的“球(qiu)壳相交(jiao)”原理(li)来确(que)定(ding)位(wei)置(zhi)。想(xiang)象一下(xia)，以(yi)第一(yi)颗卫(wei)星为圆心、测量(liang)到的距(ju)离为(wei)半(ban)径画一个(ge)球，你(ni)的位置就(jiu)在这(zhe)个球(qiu)的表(biao)面。再(zai)以第二颗卫星(xing)为圆心，画另(ling)一个球，你(ni)的位置(zhi)就在(zai)这(zhe)两个球的(de)交(jiao)线(xian)上(shang)（两条(tiao)圆周线(xian)）。接着以(yi)第三颗卫星为(wei)圆心，画第三个(ge)球，这两个交线(xian)就(jiu)会相交于两(liang)个点(dian)。

利(li)用第四(si)颗(ke)卫星(xing)的(de)信息(xi)，结合(he)一(yi)些数学(xue)算法(fa)，就可(ke)以(yi)精(jing)确地排除其(qi)中(zhong)一个不符合(he)逻(luo)辑的点(dian)，从而(er)确(que)定出接收器在(zai)地球上的(de)三维(wei)坐标——经(jing)度、纬度(du)、高度(du)，以及精确(que)的时间。

要(yao)实现(xian)“精(jing)准(zhun)”二字，并非(fei)易事(shi)。除了卫星(xing)自(zi)身(shen)的(de)精度，地(di)面接(jie)收(shou)器的计算能力、大气层(ceng)对信(xin)号的干扰、卫星(xing)轨道偏差(cha)等因素，都(dou)可能(neng)对定位(wei)精度(du)产(chan)生影响(xiang)。GPS系统为此进(jin)行了大量(liang)优(you)化(hua)。例如(ru)，系统(tong)会不断(duan)监测卫(wei)星的运行状态(tai)，并根(gen)据(ju)需要进(jin)行轨道(dao)修正(zheng)。地(di)面站(zhan)会收(shou)集各(ge)类数(shu)据(ju)，用(yong)于校(xiao)准卫星(xing)时钟和(he)地球上的参考坐标(biao)系(xi)。

这(zhe)些复(fu)杂的(de)后台(tai)工作(zuo)，共同(tong)确保了GPS信(xin)号(hao)的可靠性和(he)精度(du)。

最初(chu)，GPS系统(tong)主要(yao)服务于军事领域(yu)，为(wei)军队(dui)提供精(jing)确(que)的导(dao)航支持。但(dan)随着(zhe)技术(shu)的(de)不(bu)断发(fa)展和(he)系统的成(cheng)熟，GPS逐渐(jian)向民用(yong)领域开放(fang)，并催(cui)生了(le)无(wu)数(shu)令(ling)人(ren)惊叹的应(ying)用(yong)。从(cong)早期的(de)车(che)载导(dao)航，到(dao)如今(jin)的智(zhi)慧出行(xing)、精准农(nong)业、航空航(hang)海、地(di)质勘(kan)探、紧(jin)急(ji)救(jiu)援，乃(nai)至(zhi)我们(men)日(ri)常生(sheng)活中(zhong)使用(yong)的(de)地图导(dao)航APP，GPS的(de)身影无处不(bu)在(zai)，它像(xiang)一只无形(xing)的(de)手(shou)，精(jing)准地描绘着(zhe)世(shi)界(jie)的每(mei)一个角(jiao)落，让“迷(mi)失”成(cheng)为一种越(yue)来越(yue)罕见(jian)的体验。

无(wu)处不在(zai)的(de)精准：GPS的(de)现在与(yu)未来展望

GPS，这个(ge)曾被视(shi)为(wei)军(jun)事(shi)机密的科技结(jie)晶，如今已深深(shen)渗透到(dao)现(xian)代(dai)社(she)会的肌理之中(zhong)，成为(wei)驱(qu)动(dong)各(ge)行(xing)各(ge)业(ye)创(chuang)新(xin)与(yu)发展的重要引擎(qing)。它的影(ying)响力早(zao)已超(chao)越了简(jian)单(dan)的(de)“指(zhi)路”，而(er)是(shi)成(cheng)为连接(jie)人、物、信(xin)息、服务(wu)，构(gou)建智(zhi)慧化(hua)、高(gao)效率社(she)会(hui)的(de)基础(chu)设施(shi)。

在交通出行领(ling)域，GPS的革(ge)命性意义不(bu)言而喻。早(zao)期的(de)车载导(dao)航(hang)仪(yi)，将(jiang)传(chuan)统(tong)的纸(zhi)质地图升级为(wei)动态(tai)的(de)电子地(di)图，极大地(di)降(jiang)低了驾驶(shi)者的认(ren)知负担，让(rang)长(zhang)途(tu)旅行(xing)和陌(mo)生(sheng)路(lu)段的通(tong)行(xing)变得轻松(song)而(er)安(an)全(quan)。如(ru)今，基(ji)于(yu)GPS的(de)智能(neng)手机(ji)导航(hang)APP更是(shi)普及(ji)到人(ren)手一(yi)部，实时路况(kuang)、最(zui)优路线规(gui)划、到站提(ti)醒等功(gong)能，让每(mei)一(yi)次(ci)出(chu)行(xing)都(dou)如(ru)同(tong)拥有了(le)一位贴(tie)心的向导。

更(geng)进(jin)一(yi)步，自动驾(jia)驶技(ji)术的(de)发展，更是(shi)对GPS的(de)精确(que)性提出(chu)了(le)更高的要(yao)求。厘(li)米级(ji)的定(ding)位(wei)精度(du)，配(pei)合高(gao)精地(di)图(tu)和传感(gan)器融(rong)合，让(rang)车辆(liang)能够(gou)感知周(zhou)围环境(jing)，自主决(jue)策(ce)，实现(xian)更安(an)全、更(geng)高(gao)效的(de)自动驾驶。

除(chu)了陆地(di)交(jiao)通(tong)，GPS在(zai)航空和(he)航海领(ling)域同(tong)样扮演着(zhe)至(zhi)关(guan)重要的角(jiao)色。飞(fei)机在(zai)万米(mi)高空(kong)飞行，航海员在(zai)茫茫(mang)大海(hai)上(shang)航(hang)行(xing)，精确的(de)定位是保(bao)障安全的首要前提(ti)。GPS提供的全(quan)球覆(fu)盖和(he)高(gao)精度(du)定(ding)位，使得飞机能(neng)够进(jin)行仪(yi)表(biao)着(zhe)陆，船(chuan)舶能(neng)够沿(yan)着预(yu)定航线安(an)全(quan)抵(di)达目(mu)的地，极大(da)地提升了交(jiao)通(tong)运输(shu)的效(xiao)率和(he)安(an)全性。

曾(ceng)经依赖复(fu)杂(za)天文观测(ce)和(he)陆地(di)参(can)照物的时代(dai)一去(qu)不复返，取(qu)而(er)代(dai)之(zhi)的(de)是由(you)卫星(xing)星(xing)座织就(jiu)的全球(qiu)定(ding)位网络(luo)。

在(zai)农(nong)业领域(yu)，GPS也(ye)正在释放出巨(ju)大(da)的潜力(li)，推(tui)动着精准(zhun)农业(ye)的兴(xing)起(qi)。通过GPS引(yin)导的自(zi)动(dong)驾驶(shi)拖拉(la)机，可以实(shi)现(xian)农(nong)田耕(geng)作的(de)精准(zhun)播(bo)种、施肥(fei)和喷药，避(bi)免重(zhong)叠(die)或(huo)遗(yi)漏，大(da)大(da)提高(gao)了农(nong)药和化(hua)肥的(de)使(shi)用效(xiao)率，降(jiang)低了(le)生产(chan)成本，同时减(jian)少(shao)了对环(huan)境(jing)的污(wu)染。无人(ren)机搭载(zai)GPS，可(ke)以对农作物进行(xing)精(jing)准监测，分析(xi)长势(shi)，及时发现病虫(chong)害，为(wei)农民提供(gong)科学(xue)决(jue)策依据(ju)。

地质(zhi)勘探、测绘、城(cheng)市规划等(deng)领域，也(ye)离不开(kai)GPS的(de)精准(zhun)服务(wu)。无(wu)论(lun)是勘(kan)测(ce)地表，绘制地(di)形图(tu)，还(hai)是监测(ce)地壳运动(dong)，GPS都能(neng)提供高精度的(de)位置(zhi)信(xin)息。在城(cheng)市(shi)建(jian)设中，GPS用于(yu)精确规划(hua)道路(lu)、桥(qiao)梁、地(di)下(xia)管(guan)线(xian)等，确(que)保(bao)工程的(de)准确(que)性(xing)和安全性。

甚至在(zai)我们(men)日常生(sheng)活中，GPS的(de)触角(jiao)也(ye)无处不(bu)在。共(gong)享(xiang)单车、共享汽车(che)的定位(wei)追踪，外卖配送(song)员的实时(shi)导(dao)航(hang)，户(hu)外(wai)运动(dong)的轨迹记录(lu)，甚(shen)至宠物追(zhui)踪(zong)器(qi)，背后(hou)都少(shao)不(bu)了GPS的身(shen)影(ying)。它(ta)让(rang)“连接”变(bian)得更加便捷(jie)，让(rang)“服务(wu)”变(bian)得(de)更加(jia)高效(xiao)。

GPS并非(fei)完(wan)美(mei)无缺。它依然面(mian)临(lin)着(zhe)一些(xie)挑战(zhan)：信号(hao)容易(yi)受到遮(zhe)挡（如(ru)隧道、高楼(lou)林(lin)立的城市(shi)峡谷），易受(shou)恶劣天(tian)气(qi)影响(xiang)，以及(ji)在高纬度地区(qu)信号(hao)衰减(jian)等问(wen)题。GPS信号本(ben)身存在(zai)一定(ding)的误差(cha)，对于(yu)需(xu)要(yao)更(geng)高精度(du)（如厘米级(ji)甚至毫(hao)米(mi)级）的(de)应(ying)用(yong)，还需要结合其(qi)他技术，如(ru)差(cha)分(fen)GPS（DGPS）、实(shi)时动态(tai)GPS（RTK）等(deng)。

展(zhan)望未(wei)来，GPS技(ji)术的(de)发(fa)展将继(ji)续朝(chao)着更(geng)高精度(du)、更(geng)强韧(ren)性、更(geng)广覆(fu)盖的方向(xiang)迈进(jin)。新的(de)卫星(xing)星座设(she)计(ji)、更先(xian)进的(de)接(jie)收机技(ji)术(shu)、以(yi)及与(yu)其(qi)他(ta)定位技术（如(ru)北(bei)斗、Galileo、GLONASS等(deng)）的(de)融(rong)合，将(jiang)不断提(ti)升(sheng)GPS系(xi)统(tong)的性能。人(ren)工智(zhi)能和(he)机(ji)器学习(xi)的应用，也(ye)将进一步(bu)优化(hua)GPS数据的(de)处理和分(fen)析，使其在(zai)自动驾(jia)驶、智(zhi)慧城(cheng)市、物(wu)联网等(deng)前沿(yan)领(ling)域发(fa)挥更重(zhong)要的作用。

从最初(chu)的军(jun)事需求，到如(ru)今(jin)惠及(ji)全球(qiu)的民用(yong)技(ji)术(shu)，美(mei)国十(shi)次(ci)导(dao)航系(xi)统（GPS）用(yong)其(qi)精准的(de)卫星导航技术(shu)，书写了一(yi)部现(xian)代科(ke)技的辉煌(huang)篇章。它不仅改(gai)变了(le)我(wo)们认识(shi)和(he)利(li)用空(kong)间(jian)的(de)方式(shi)，更驱动(dong)着(zhe)社会(hui)各领域(yu)的(de)变革与进步(bu)。仰(yang)望星辰，我们看(kan)到了科技的力(li)量；脚踏实(shi)地，我(wo)们(men)感(gan)受着(zhe)GPS带来(lai)的便利与(yu)效(xiao)率(lv)。

在未(wei)来的征(zheng)途(tu)中，GPS将继续与我(wo)们同(tong)行，指引我(wo)们探索(suo)更广(guang)阔(kuo)的未(wei)知，创造更(geng)美(mei)好(hao)的(de)明(ming)天。

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图片来源：每经记者 阿兰 摄

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