每经编辑｜陈少波    

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美国导航技术的十次飞跃：GPS的黎明(ming)与辉煌

导航，这项古老而又永恒的技能，在人类文明的进程中扮演着至关重要的(de)角色。从仰望星空辨别方(fang)向，到利(li)用指(zhi)南(nan)针穿梭陆地，再(zai)到如今手指轻点即可知晓天下——这背后，是人类智慧与(yu)科技力量的不断碰撞与升华。其中，以美国主导的全球定位系统（GPS）的发展，更是堪称一部浓缩的科技史诗(shi)，它以前所未有的力量重(zhong)塑了我们的世界。

让我们一同回(hui)顾美国在导(dao)航技术领域那十次令人惊(jing)叹(tan)的革新，窥探GPS从诞生之初(chu)到遍布全(quan)球的非凡征程。

1.萌芽(ya)：从“太空时代”的火花到“GPS”的设(she)想(20世纪50-60年代)

冷战的阴影催(cui)生了对高(gao)科技军事应用的迫切需求。1957年，苏(su)联发射第一(yi)颗人造卫星“斯普特尼克1号”，这(zhe)不仅是一次技术壮举，更(geng)点燃了美国科学家的灵感。他们发现，通过追踪卫星的无线电信号，可以(yi)反推出卫星的(de)轨道和位置。这一发现，如同在黑暗中点亮了一盏明灯，预示着一种全新的、基于卫星的导航系统的可能性。

虽然当时的技术远未成熟，但“利用卫星进(jin)行定位”的种子已经悄然种下。

2.诞生：子午仪计划(hua)的实践与GPS的雏形(20世纪60-70年代)

“子午仪计(ji)划”（Transit）是美国海军在1958年启动的一(yi)项(xiang)卫星(xing)导航系统，这是世界上第一个实用的卫星导航系统。尽管其定位精度不高，且需要用户持续接收信号，但它验证了卫星导航的可行(xing)性，并积(ji)累了宝贵的工(gong)程经验。子午仪计划的成(cheng)功，为后来更为先进的GPS系统的设计奠定了基础，也让“全球”和“定位”这两(liang)个概念紧密联系起来。

3.升华：GPS系统的设计与概念的确立(20世纪70年代)

随着对更高精度、更广覆盖范围导航需求的日益增长，美国国防部在1973年启动了“综合卫星导航系统”（NAVSTARGPS）项目。这是一(yi)个雄心勃勃的计划，旨在构建一个由(you)多颗卫星组(zu)成的全球性(xing)网络(luo)，提供(gong)全天候、高精度的三维定位、测速和授时服务。GPS的概(gai)念在此时得到了全面确立，其架(jia)构设计、卫星轨道选择、信号编码等关键技术(shu)被一一攻克，一个划时(shi)代的导航系统正加(jia)速成型。

4.扩张：卫星星座的(de)构建与系统的初步部署(20世纪80年代)

GPS系统的实现，需要大(da)量卫星的协同工作。在80年代，美国开始了大规模的GPS卫星发射和在轨部署工作。每一颗卫星都承载着复杂的导航载荷，它(ta)们按照精确的轨道(dao)运行，通过发射编码的无线电信(xin)号，为地球上的接收器提供定位信息。这(zhe)一阶段，GPS逐渐(jian)从一个理论构想转化为一个初步可用的军(jun)事导航系(xi)统，为陆海空三军的作战提供了强(qiang)大的支撑。

5.开放：民用信号的开放与GPS的普及(ji)浪潮(20世纪90年代)

GPS系统的最初设计，是为了满足军事需(xu)求，其高精度信号（P(Y)码）受到加密限制。1990年海湾战争(zheng)的爆发，凸显了民用GPS设备在(zai)后勤保障、伤员搜救等方(fang)面的重要性。1998年，美国政府宣布(bu)将对GPS民用信号（C/A码）进行“选择性可用性”的限制(zhi)解除，这意味着全球用户都可以免费获得接近于军(jun)事级别的定位精度。

这一决定，如同一场革命，彻底打开了GPS的(de)潘多拉魔(mo)盒，开启了GPS民用(yong)化的广阔天地。

6.精进：差分GPS（DGPS）与增强技术的兴起(20世纪90年代末-21世纪初)

虽然民用GPS信号的精度大(da)幅提升，但在某些特定场景下，如城市峡谷、室内环境，信(xin)号的衰减和多路径效应依然会(hui)影响定位的准确性。为了进一步提升精度(du)，差分GPS（DGPS）技(ji)术应运而生(sheng)。通过设置地面参考站，实时监测GPS信号的误差，并将修正后的差分(fen)信号广播给用户，DGPS可以显著提高定位精度，甚至达到亚米级。

与此(ci)基于地面基站的星基增(zeng)强系统（SBAS），如美国的WAAS，也开始(shi)提供服务，为民航等对精度要求(qiu)极高的领域(yu)提供(gong)了保障。

7.融合：多模接收机与GNSS时代的曙光(21世纪初至今)

随着科技的进步，单一的GPS系统已(yi)无法满足日益增长(zhang)的多元化需求。欧(ou)洲(zhou)的伽利略（Galileo）、俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）、中国的北斗（BeiDou）等其(qi)他全球导(dao)航卫星系统（GNSS）相继建成或正在建设。这就促使(shi)了多模接收机(ji)的出现。这些接收机能够同时接收来自不同GNSS系统的信号，通过算法融合，能够实现更快(kuai)的首(shou)次定位时间（TTFF）、更高的定位精度和更好的可用性，尤其是在信号受阻的环境(jing)下。

GPS不再是唯一的选择，而是GNSS大家庭中的重要一(yi)员。

8.智能化：辅助GPS（A-GPS）与移动互联网的连接(21世纪初至今)

智能手机的普及，彻底改变了GPS的应用(yong)场景。辅助GPS（A-GPS）技术应运而生。A-GPS利用蜂窝网络和Wi-Fi信号，能够快速获取GPS卫星信息，大幅缩短了定位时间，尤其是在信号较弱的室内或城(cheng)市环境中。这种与移动通信网络的深度融合，使得GPS的功能从简单的“我在哪”扩展到“我(wo)与周围的一(yi)切的关系”，成为(wei)支撑(cheng)位置服务、地图导航、社交网(wang)络等众多移动互联网应用的核心能力。

9.微型化与低功耗：GPS芯片的飞跃(21世(shi)纪至今)

想(xiang)要将GPS集成到每一部手机(ji)、每一件可穿戴设备中，就必须解决(jue)芯片的体积和功耗问题。近年来，GPS芯片技术取得了长足的进步，芯片尺寸不断缩小，功耗也越来越低。如今，一颗小(xiao)小的(de)芯片，就能集成GPS、GLONASS、BeiDou等多种GNSS信号的接收能力，并且耗电量极低，能够支持设备长时间运行(xing)。

这使得GPS得(de)以“飞入寻常百姓家”，成为我们日常生活(huo)中不可或缺的一部分。

10.精准化与场景化：RTK、PPK等高精度技术的应用(21世纪至今)

对于需要极高定位(wei)精度的行业(ye)，如精准农业、自动驾驶、测绘工程等，传统的(de)GPS已经无法满足需求。实时动态差分（RTK）和后处理动态差分（PPK）等(deng)技(ji)术应运而生。RTK通(tong)过实时差分信号，可以实现(xian)厘米级的定位精(jing)度；PPK则是在事后对收集到的数据进行差分处理，精度更高，可达毫米级。

这些技术的广泛应用，标志着(zhe)GPS已经从一个简单的定位工具(ju)，演变成一个能够满足最严苛需求的精准测量与控(kong)制平台。

GPS的发展历程，是一部技术迭代、需求牵引、开放共享的壮丽篇章(zhang)。它从最初的军事利器，逐渐渗透到我们生活的方方面面，深刻地改变了交通、通信、能源、农业、安全等无数个行业。故事并未就此结束，GPS及其所在的GNSS领域，正以前所未有的速度继续演进，未来的图景，必将更加令人惊叹。

GPS的未来图景(jing)：融合创新与无限可能

正如我们所见，GPS及其(qi)所代(dai)表的全球导航卫星系统（GNSS），已经走过了辉煌的过去，并在当下的数字时代(dai)扮(ban)演(yan)着(zhe)关键角色。但科技的脚步永(yong)不停歇，未来的GNSS技术将朝着更加智能、融合、精准和普惠的方向发展，为各行各业带来颠覆性的变革。让我们一同(tong)展望GPS及其相关技术的未来趋势，以及它们将在各个行业激起的巨浪。

未(wei)来趋势一：多模GNSS融合与互操作性的(de)提升

随着北斗、伽利略、格洛纳斯等GNSS系统(tong)的不断成熟和完善，以及未来可能出现(xian)的更(geng)多区域(yu)性或专业性导航系统的加入，多模接(jie)收机将成为主流。未来的趋势将不再是简单地接(jie)收多个(ge)系统的信号，而是实现更深(shen)度的“融合”与“互操作”。这意味着不同的GNSS系统之间能够协同工作，共享信息，甚至(zhi)形成一个统一的、更强大的全球导航(hang)网络。

这种融合将带来：

更快的首(shou)次定位时间(TTFF)：接收器能够(gou)更快速地捕获到足够的卫星信号，无论用户身处何地。更高的定位精度和可靠性：通过(guo)算法优化，可以充分利用(yong)来自(zi)不同系统的优势信号，抵消单系统可(ke)能存在的信号盲区或误差。更强的抗干(gan)扰能力：面对复杂的电磁环境或潜在的信号欺骗，多系统协同能够提供更稳健的(de)定位服务。

更好的室内和城市峡(xia)谷定位：结合其他(ta)传感器数据，GNSS信号(hao)的弱点将得到有效弥补。

未来趋势二：惯性导航(hang)系统（INS）与GNSS的深度融合

纯粹依赖GNSS信(xin)号(hao)进行导航，在信号丢失或被(bei)干扰的场景下是不可行的。因此，惯性导航系统（INS）将与GNSS实现更深层次的融合。INS通过(guo)测量载体的加速度和角速(su)度来推算其位置、姿(zi)态(tai)和速度，不受外部信号影响，能够提供连续、高动态的导航信(xin)息。

无缝衔接(jie)的导航体验：当(dang)GNSS信(xin)号中断时（如隧道、地下空间、茂密森林），INS能够(gou)无(wu)缝接管，保证导航的连续性。提升定位(wei)精度：INS可以提供高频率的姿态和运动数据，用于校准GNSS信号中的误差，从而进一步提升整体定位精度。低成本高(gao)精度方案：通过将低成本的MEMS惯性传感器与GNSS相(xiang)结合，可以构建出成本效(xiao)益高且精度可靠的导航解决方案，广泛应(ying)用于消费级产品。

未来趋势三：基于AI的GNSS信号处理与误(wu)差校正

人工智能（AI）和机器学习（ML）将在GNSS信号的处理和误差校正中发挥越来越大的作用。传统(tong)的误差模型虽然有效，但难以应对日益复杂的信号环境和动态变化。

智能信号识别与过滤：AI算法能够实时识(shi)别和区分真实的GNSS信号(hao)与干扰信号（如欺骗、干扰），提高系统的鲁棒性。动态误差模型：基于AI的学习能力，可以构建更精确、更(geng)动态的误差(cha)模型，实时预测和补偿由于大气层、多路径效应等引起的定位误差。情(qing)境感知定位：AI可以结合GNSS数据与其他传感器数据（如摄像头、雷达），理解用户(hu)所处的具体环境，从而提供更(geng)符合情境的定位(wei)服务。

未来趋势四：高精度定位技术(shu)的普及与(yu)“定位即服务”（PaaS）

厘米级甚至毫米级的定位精度，将不再局限于专业领域，而是逐渐走向普及(ji)，并催生出“定位即服务”（PaaS）的新(xin)商业模式(shi)。

低成本高精度解决方(fang)案：随着RTK/PPK技术的模块化和小型化，以及5G/6G网络差分(fen)校正信号的普及，高精度定位的成本将大幅降低，惠及更广泛的行业。“定位(wei)即服务”模式(shi)：类似于云计算，未来用户可以(yi)直接订阅高精度的定位服务，无需自行搭建和维护复杂的地面基站网络。

这为物联网、自动驾驶、智慧(hui)城市等应用提供了强大的基础设施支(zhi)持。

行业应用解析：GNSS驱动的变革浪潮

自动驾驶(shi)与智能交通(tong)：

高精度定位：自(zi)动驾驶车辆需要厘米级甚至更高的定位精度，以精确感知自身在车道线、障碍物中的位置。GNSS与INS融合(he)，以(yi)及RTK/PPK技术的应用，是实现安全自动驾驶的关键。车联网（V2X）：GNSS技术能够(gou)实现车辆间的精准位置共享，支持协同驾驶、交通(tong)流量优化、紧急车辆优先通(tong)行等功能，构建更智能、更高效(xiao)的交(jiao)通系统。

智慧城市与物联网：

资产追踪(zong)与管理：从共享单车、物流集装箱到重要(yao)基础设施，GNSS技术使得对海量资产进行实时、精准的追踪和管理成为可能。环境监测与公共安全：部署的传感器（如空气质量监测器、水文监测站）可以通过GNSS精确记录其位置，实现精准的地理空间数据采集，为城市规(gui)划和(he)应急响应提供支持。

智(zhi)慧能源：智能电网的部(bu)署、能源设备的精确定位，以及能源消耗的地理信息分析，都离不开GNSS技术。

精准农业：

自动化农机(ji)：拖拉机、播种机、收割机等农机设备通过GNSS实现精准导航和路径规划，减少重叠(die)作业，提高作业效率，节约种子、肥料和农药。变量施肥与精准灌(guan)溉：结合土(tu)壤数据和GNSS定位，实现按需施肥和精准灌溉，最大化资源利用率，减少环境污染(ran)。

作物健康监测：通过无人机(ji)或卫星搭载的遥感设(she)备，结合GNSS精准记录作物生长数据，及时(shi)发现病虫害，进(jin)行针对性防治。

测绘、地理(li)信息与遥感：

高效地形测量：手持或车载GNSS接收器，配(pei)合RTK/PPK技术，极(ji)大(da)地提高了地形图测绘、工程测量、土地登记等工作的效率(lv)和精度。三维建模：结合GNSS定位和激光扫描、摄影测量等技术，能够(gou)快速构建高精度的三(san)维地(di)理信息模型，应用于城市规划、古迹保护、虚拟现实等领域。

地质灾害监测：GNSS接收器可以长期部署在易(yi)发生滑坡、沉降等灾害的区域，精确监测地壳微(wei)小(xiao)形变，为预警提供关键数(shu)据。

物流与供应链：

全程(cheng)可视化追踪：从原材料到成(cheng)品，再到最终交付，GNSS技术(shu)使得整个物流链(lian)条的实时(shi)可视化成为现实，提高效率，降低损(sun)耗。智能路线规划：结(jie)合实时(shi)交通信息和GNSS定位，为物流车辆规划最优配送路线，缩短运输时间，节约燃油。

结语：从导航到“位置智能”的飞跃

GPS及其所代表(biao)的GNSS技术，已经从单纯的“导航”工具，演进为驱动“位置智(zhi)能”（LocationIntelligence）的核心引擎。未来，随着技术的不断融合(he)与创新，GNSS将与5G/6G、AI、大数(shu)据、云计算等前沿技术深度结合，为人类社会带来(lai)更深刻的变革。

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图片来源：每经记者 阿斯顿 摄

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封面图片来源：图片来源：每经记者 名称 摄