每经编辑｜阿部裕行    

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导(dao)航的艺术：GPS精(jing)度如何重新定(ding)义时空(kong)感知

在我们这个日益(yi)互联互(hu)通(tong)的世(shi)界里，精(jing)确(que)的(de)时(shi)空定(ding)位已不再(zai)是科幻(huan)小说的(de)情(qing)节，而(er)是(shi)支撑(cheng)我(wo)们日(ri)常(chang)生活(huo)的基石(shi)。从每一(yi)次的出行(xing)导航，到精准(zhun)的金(jin)融(rong)交易(yi)，再到激动(dong)人心的(de)太(tai)空(kong)探(tan)索，一(yi)个强大(da)的(de)、可(ke)靠的全(quan)球(qiu)导(dao)航系统至关重要。而(er)在这其中(zhong)，由美国(guo)主(zhu)导的(de)“十次(ci)导航(hang)系统”（GlobalPositioningSystem，简称GPS）无(wu)疑是当(dang)之无(wu)愧的(de)王者(zhe)，它以其前所(suo)未(wei)有(you)的精确度(du)，一(yi)次又(you)一次(ci)地重(zhong)新定义了(le)我(wo)们(men)对(dui)时空感(gan)知的(de)边界(jie)。

“十(shi)次导航(hang)系(xi)统(tong)”并非一个(ge)偶然的诞生，而是(shi)冷战时(shi)期(qi)一(yi)项雄(xiong)心勃勃的(de)军事(shi)计划的产(chan)物(wu)。其最(zui)初的设(she)计目标是为(wei)了(le)满足(zu)美(mei)国(guo)军(jun)方对全(quan)球范(fan)围内的精(jing)确(que)导航和(he)定位(wei)需求(qiu)，但(dan)其(qi)强(qiang)大的民用潜(qian)力(li)很快便被发掘出来(lai)。如今，GPS已(yi)成(cheng)为(wei)一个(ge)覆盖(gai)全(quan)球(qiu)、全(quan)天(tian)候运(yun)行的巨型网(wang)络(luo)，由(you)30多颗精心(xin)部署(shu)在(zai)轨(gui)道(dao)上的(de)导航卫(wei)星组成。

这(zhe)些(xie)卫星以精(jing)确(que)计算(suan)的(de)轨道(dao)绕地球运(yun)行，不(bu)断(duan)地向(xiang)地(di)面广播(bo)着携(xie)带自身位(wei)置(zhi)和时间信(xin)息的信(xin)号(hao)。

GPS是(shi)如何(he)实现(xian)如此惊(jing)人的精度(du)的呢(ne)？这(zhe)背后是(shi)一系列精(jing)密而(er)复杂(za)的科(ke)学与工程原(yuan)理的完美结(jie)合。卫星上的原子钟是(shi)整个系(xi)统的(de)“心脏”。这(zhe)些原(yuan)子钟(zhong)的(de)精度(du)达到了每百(bai)万(wan)年误差不足一(yi)秒(miao)的惊人(ren)水平(ping)，为信号提供了(le)极其(qi)精确的时(shi)间戳(chuo)。地面上的(de)接收(shou)器（比(bi)如你手(shou)机里(li)的(de)GPS芯片(pian)）会(hui)同(tong)时接(jie)收来自(zi)至少四颗卫(wei)星(xing)的信号(hao)。

通(tong)过测量(liang)接(jie)收信号所需的时间，并(bing)结合信号(hao)传播(bo)速度（光速(su)），接(jie)收器就(jiu)能计(ji)算出(chu)自己(ji)与(yu)每(mei)颗卫星之(zhi)间的距离(li)。三颗(ke)卫星的距(ju)离信(xin)息不足以(yi)确定三(san)维(wei)空间(jian)中的(de)位置，因为(wei)还需要(yao)知(zhi)道接收(shou)器的(de)精确(que)高(gao)度(du)。而(er)第四(si)颗卫(wei)星的(de)信(xin)号(hao)，则解(jie)决了这个(ge)问题(ti)，使(shi)得(de)接收(shou)器能(neng)够精(jing)确地(di)确定其在地球上的(de)三维坐标(biao)——经度(du)、纬度以及(ji)海(hai)拔(ba)高度(du)。

仅仅依(yi)靠(kao)卫(wei)星上的(de)原子(zi)钟(zhong)和基础的(de)测(ce)量原(yuan)理，并不能(neng)完全解(jie)释(shi)GPS的超(chao)高精度(du)。事(shi)实上(shang)，地(di)球的大(da)气层(ceng)，特别是电(dian)离层和对流层(ceng)，会(hui)对卫星(xing)信(xin)号(hao)产生(sheng)延迟(chi)和(he)折射，这(zhe)会直接(jie)影响(xiang)定(ding)位的准(zhun)确性。为(wei)了克(ke)服(fu)这一挑(tiao)战，GPS系统采用了多种(zhong)先进的误(wu)差校(xiao)正技术。其(qi)中最关键的便(bian)是差(cha)分GPS（DGPS）技(ji)术(shu)。

简而言(yan)之，DGPS系统利(li)用(yong)地面上的一个已(yi)知(zhi)精确位(wei)置的基准站，来(lai)测量和计(ji)算(suan)由(you)大气(qi)层引(yin)入(ru)的(de)误差(cha)。然后(hou)，基(ji)准(zhun)站(zhan)会将(jiang)这些误(wu)差信(xin)息(xi)实(shi)时发(fa)送(song)给附近(jin)的GPS接收器，接收器通(tong)过减(jian)去(qu)这(zhe)些误(wu)差，从而获得远(yuan)超普通GPS的(de)精度(du)。这种(zhong)差(cha)分技术(shu)，能够(gou)将(jiang)GPS的(de)定位(wei)精度从原本的(de)数(shu)米级(ji)别(bie)，提升(sheng)到厘(li)米乃至毫米级别，这对于(yu)很(hen)多(duo)高精度的(de)应用至关重(zhong)要(yao)。

GPS系统(tong)还在不断(duan)地进行技术升(sheng)级和迭代(dai)。例如(ru)，GPSIII系列的(de)新一代(dai)卫(wei)星，不(bu)仅(jin)拥有(you)更强大的信号(hao)，能更好地抵抗(kang)干(gan)扰，而且其内部的原子钟(zhong)精度(du)进一步提升(sheng)，从(cong)而(er)进一(yi)步减(jian)少了定位(wei)误(wu)差(cha)。新的信(xin)号(hao)设计(ji)也为未(wei)来(lai)支持更高(gao)级(ji)的功能(neng)，如精确授(shou)时和(he)高精(jing)度(du)导航，打下了坚实(shi)的(de)基(ji)础。

GPS的精(jing)度不仅(jin)仅(jin)体现(xian)在(zai)空间(jian)定位上(shang)，其在时(shi)间同(tong)步(bu)方面(mian)的能力同样令人(ren)瞩目(mu)。现(xian)代社会(hui)，许多(duo)关(guan)键基础(chu)设施的(de)运(yun)行都(dou)依赖于极其(qi)精(jing)确(que)的(de)时间(jian)同步(bu)，例如电力网络(luo)、通信系统(tong)、金融交易(yi)系统等。GPS信(xin)号中包含(han)的(de)精确(que)时(shi)间信息(xi)，已(yi)经成(cheng)为(wei)这些系(xi)统同(tong)步的“标准(zhun)时(shi)间”。通过(guo)接收(shou)GPS信号，全(quan)球各地(di)的设备(bei)都能同(tong)步到(dao)原子钟的(de)精确时(shi)间(jian)，这对(dui)于保障这些系(xi)统的稳定(ding)运(yun)行和高(gao)效(xiao)协(xie)作至(zhi)关重要。

设想一下，如果不同银(yin)行的交易(yi)系统(tong)在处理时间(jian)上(shang)存在微(wei)小差异，可能(neng)会导致巨(ju)额的金(jin)融(rong)损失(shi)。GPS正是解决了这(zhe)一潜(qian)在的(de)巨(ju)大(da)风险(xian)。

可以(yi)说，GPS的(de)精确(que)性已经渗透到了我们生(sheng)活的方(fang)方(fang)面面(mian)，只是我们常常(chang)忽略了它的(de)存(cun)在。每一(yi)次使用(yong)地图应用(yong)规划路线(xian)，每(mei)一次通(tong)过打(da)车软件(jian)呼叫车辆，每(mei)一次在社交(jiao)媒(mei)体上分享(xiang)你的地理位置(zhi)，背(bei)后(hou)都有(you)GPS在默(mo)默地工作(zuo)，提供(gong)着(zhe)精(jing)准的定位信息。甚至(zhi)在农业领(ling)域，精(jing)准农(nong)业(ye)也依赖(lai)GPS来指导拖(tuo)拉机进行(xing)精确(que)的播(bo)种、施肥和(he)收割，最(zui)大限度(du)地提高作(zuo)物(wu)产量并(bing)减少资源浪(lang)费(fei)。

在建(jian)筑和(he)测量(liang)行业，GPS用(yong)于精确(que)测量土(tu)地边界(jie)、规划施工(gong)区域(yu)，确(que)保工(gong)程的准确性和安(an)全性(xing)。

小(xiao)结：美(mei)国(guo)“十次(ci)导航(hang)系(xi)统”凭借其深(shen)厚的(de)技术积淀(dian)和持(chi)续的(de)创新(xin)，已经建立(li)起一套全(quan)球(qiu)领(ling)先的(de)卫星导航(hang)体(ti)系。其核心(xin)竞(jing)争力(li)在于(yu)其极(ji)高的定位(wei)精(jing)度(du)和时间(jian)同(tong)步能(neng)力，这得益于先(xian)进的卫星技(ji)术、精密的原(yuan)子钟(zhong)、以及强大的误(wu)差校正(zheng)算法。GPS不(bu)仅仅是(shi)一(yi)项技(ji)术(shu)，更(geng)是一(yi)种(zhong)对(dui)时空(kong)感知的重(zhong)塑，它(ta)为(wei)现(xian)代社会的运(yun)行(xing)提供(gong)了不(bu)可或缺的(de)支撑，并为(wei)未来的科技(ji)发展奠(dian)定(ding)了坚实(shi)的基(ji)础。

导航的未来(lai)：GPS如(ru)何(he)塑造(zao)智能(neng)时代(dai)的无限可(ke)能

如果说(shuo)GPS的(de)第(di)一阶段是(shi)“看(kan)得(de)到”的(de)精确(que)，那么它(ta)的(de)下(xia)一(yi)阶段(duan)，则是“用得好”的(de)智(zhi)能(neng)。随着(zhe)技术(shu)的不断进(jin)步和应用场(chang)景(jing)的日(ri)益(yi)拓展(zhan)，“十次导(dao)航系(xi)统”早(zao)已不(bu)再局限于简单的(de)“你(ni)在(zai)哪(na)儿”的问题，而是(shi)逐(zhu)渐演变(bian)成驱(qu)动无(wu)数前沿(yan)技术发(fa)展的(de)核(he)心引擎(qing)，为我们描(miao)绘出(chu)一幅(fu)令(ling)人激动的智能时(shi)代(dai)蓝图(tu)。

在智能交通(tong)领域，GPS扮(ban)演着无(wu)可替代(dai)的角色(se)。自动(dong)驾(jia)驶汽(qi)车的(de)实(shi)现，离不开(kai)高精度的实(shi)时(shi)定位。GPS能够为自(zi)动驾驶汽(qi)车提供厘米级(ji)的定(ding)位信息，使其能够(gou)准确(que)地(di)感知(zhi)自身(shen)在(zai)道(dao)路上(shang)的精(jing)确位置，并(bing)与其他(ta)车辆、行(xing)人(ren)以(yi)及道(dao)路基(ji)础(chu)设(she)施进(jin)行互(hu)动。结合(he)激光雷(lei)达、摄像头(tou)等传感器数(shu)据，GPS成(cheng)为(wei)自(zi)动驾驶汽车“看清”和“走(zou)对(dui)”的(de)关键(jian)。

更(geng)进一步，车联网(wang)（V2X）技术的发展(zhan)，将(jiang)GPS与通信(xin)技术相(xiang)结合，使(shi)得车(che)辆之(zhi)间、车(che)辆(liang)与(yu)基(ji)础设(she)施(shi)之间能够实时共享(xiang)位置、速度(du)、意图(tu)等(deng)信(xin)息，从而实现更高级(ji)别的协同(tong)驾驶(shi)，大幅(fu)提升道路安全和交(jiao)通(tong)效(xiao)率。想(xiang)象一下，通(tong)过(guo)GPS和车联网，未(wei)来(lai)的城(cheng)市交(jiao)通(tong)将更(geng)加(jia)顺(shun)畅，拥(yong)堵将(jiang)成(cheng)为历史(shi)，交(jiao)通(tong)事故(gu)也将(jiang)大(da)大(da)减少。

物联(lian)网（IoT）的(de)蓬勃(bo)发展，更是(shi)为GPS的(de)应用(yong)打开(kai)了(le)想(xiang)象的无限(xian)空间。无数(shu)的(de)智(zhi)能设备，从(cong)智能(neng)手环(huan)到(dao)工业传感器(qi)，再到无人机(ji)，都需要(yao)精确(que)的(de)位(wei)置信(xin)息来进行工作(zuo)。GPS模块(kuai)的(de)微(wei)型化(hua)和低功(gong)耗化，使得它们(men)可以被(bei)集成(cheng)到各种(zhong)各(ge)样的物(wu)联网设(she)备中(zhong)。在物(wu)流(liu)领(ling)域，GPS可以实(shi)时追踪货物(wu)的(de)位(wei)置(zhi)，优化(hua)配送(song)路线，提(ti)高物流效率(lv)，并确保货(huo)物安全。

在智慧城市(shi)建设中(zhong)，GPS可(ke)以用(yong)于(yu)管理(li)公共设(she)施，如路灯、垃圾(ji)桶，以及(ji)监控交(jiao)通(tong)流量、环(huan)境污(wu)染等，为城(cheng)市管理者(zhe)提供(gong)决策支持。甚(shen)至在个(ge)人生活(huo)中，通(tong)过GPS，我们可(ke)以(yi)轻松(song)地找到附(fu)近(jin)的(de)商店(dian)、餐厅(ting)，或者(zhe)在紧急(ji)情(qing)况(kuang)下快速定位(wei)求助(zhu)。

航空(kong)航(hang)天领域(yu)，GPS的精确性更是(shi)至关重要(yao)。无论(lun)是(shi)民航飞机的(de)导航(hang)、起(qi)降，还是卫星的轨(gui)道控(kong)制(zhi)，都离不开GPS提(ti)供的(de)精确位置(zhi)和时(shi)间信息(xi)。对(dui)于太空(kong)探索而(er)言，GPS的作用更是不可或(huo)缺(que)。从将(jiang)探(tan)测器精确(que)送入预定(ding)轨道，到(dao)在火星等行(xing)星上进(jin)行(xing)科学探(tan)测，GPS技(ji)术(shu)及(ji)其演(yan)进都提供(gong)了关(guan)键的(de)支撑(cheng)。

随着(zhe)未来载(zai)人航天(tian)和深空(kong)探(tan)测任(ren)务的深(shen)入(ru)，对导(dao)航精(jing)度的要求(qiu)将(jiang)更(geng)加严苛，GPS及(ji)其下一代(dai)技术将继(ji)续扮演核(he)心角色(se)。

除了直(zhi)接的(de)定(ding)位导航，GPS在(zai)时间(jian)同步(bu)方(fang)面的(de)能(neng)力，也在(zai)持续(xu)发挥(hui)着“看(kan)不(bu)见”却极其重(zhong)要的(de)作用(yong)。如前(qian)所述，金融、通信(xin)、能源等关(guan)键基(ji)础设施的(de)稳定(ding)运行(xing)，都依(yi)赖于(yu)GPS提供的高精(jing)度(du)时间(jian)同(tong)步。在(zai)5G网(wang)络部署和未来(lai)的6G时(shi)代(dai)，对时间同(tong)步的(de)精度要(yao)求将(jiang)达到纳(na)秒(miao)级别(bie)，GPS及其(qi)增强(qiang)系(xi)统将(jiang)是实现(xian)这(zhe)一(yi)目(mu)标的重(zhong)要技术(shu)保(bao)障(zhang)。

当(dang)然，“十(shi)次导航系(xi)统(tong)”并非(fei)孤(gu)立存(cun)在。为了应对日益增(zeng)长的定(ding)位需求和提(ti)升系(xi)统的(de)可(ke)靠性，美(mei)国一直在积(ji)极(ji)推(tui)动GPS的现(xian)代化升级(ji)。GPSIII系列(lie)卫星的(de)部(bu)署，带(dai)来了(le)更(geng)强(qiang)的抗干扰(rao)能力、更(geng)高的定(ding)位精度，以及更长的使用(yong)寿命(ming)。美国(guo)也(ye)在探(tan)索(suo)与(yu)其他(ta)全球导(dao)航卫(wei)星(xing)系统(tong)（如(ru)欧洲(zhou)的伽利(li)略(lve)、俄罗斯的(de)格洛纳斯(si)、中国(guo)的北斗）的兼(jian)容(rong)性，以(yi)期为(wei)用户提供更(geng)广(guang)泛(fan)、更(geng)可靠(kao)的导航服(fu)务。

这(zhe)种多(duo)系(xi)统融(rong)合(he)的趋(qu)势(shi)，将进一(yi)步提(ti)升全球导(dao)航的(de)整体性能(neng)。

值得注(zhu)意的是(shi)，随着技术(shu)的(de)演(yan)进，GPS也(ye)在积极应(ying)对新的挑战。例(li)如，在(zai)城市峡谷（高楼林(lin)立(li)的区(qu)域）或(huo)室(shi)内等GPS信号易(yi)受(shou)阻(zu)挡(dang)的(de)环境(jing)下(xia)，如(ru)何保(bao)证可(ke)靠(kao)的(de)定位(wei)，是(shi)当(dang)前(qian)研究的(de)重点。这促(cu)使了(le)惯性导航(hang)系统（INS）、Wi-Fi定位、蓝牙(ya)信(xin)标(biao)等多种技(ji)术的(de)融合应用，形成(cheng)混合定(ding)位方案(an)，以弥(mi)补GPS的不足(zu)。

展望未来，“十次(ci)导(dao)航系统”的影(ying)响力(li)只会(hui)越来(lai)越大。它将继续(xu)作为(wei)支(zhi)撑智能时代各项(xiang)技术(shu)创新的底层(ceng)基(ji)础设施(shi)，驱(qu)动着(zhe)自动驾驶、物联(lian)网、智慧(hui)城(cheng)市(shi)、精(jing)准农(nong)业等领(ling)域(yu)的发展(zhan)。它(ta)将不(bu)再仅(jin)仅是(shi)一个(ge)导航工具，而是(shi)成为一个(ge)无处(chu)不在(zai)的“空间(jian)智(zhi)能”平(ping)台，深刻地(di)改变(bian)我们的生活方(fang)式、工(gong)作模(mo)式(shi)，甚至我(wo)们(men)对(dui)世界的认知。

从(cong)陆地(di)到海洋(yang)，从(cong)空中到太空，GPS的(de)精确(que)指(zhi)引，将带(dai)领我(wo)们驶向一个更(geng)加(jia)智能、高(gao)效、便(bian)捷的(de)未来。

小结：美国“十(shi)次导航(hang)系统”正凭(ping)借其无与伦(lun)比(bi)的精度和不断(duan)创(chuang)新的能(neng)力，深度融入智(zhi)能时代的(de)各项变革(ge)之(zhi)中。在智能交(jiao)通、物(wu)联网、航(hang)空(kong)航天等领域，GPS都(dou)发挥着核(he)心驱(qu)动作用(yong)。未来(lai)的(de)GPS将更(geng)加智能化、融(rong)合化，并与其(qi)他技术协(xie)同(tong)发(fa)展，共同塑造一(yi)个(ge)充满无(wu)限可(ke)能性的未来世(shi)界(jie)，成为人类迈(mai)向新(xin)时代的关(guan)键(jian)技(ji)术支(zhi)撑。

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图片来源：每经记者 陈东达 摄

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