我在哪？ 現(xiàn)在是什么時(shí)間？ 要達(dá)到目的地該怎么走？ 說到GPS，大多數(shù)人的第一反應(yīng)就是定位和導(dǎo)航，這是GPS設(shè)計(jì)的初衷，也是其最典型的應(yīng)用。 并且，由于GPS免費(fèi)、公開，并且性能可靠，全球的形形色色的大量用戶已經(jīng)為其開發(fā)出了數(shù)百種用途，幾乎影響到我們生活的方方面面。 空中，飛機(jī)借助GPS導(dǎo)航在云中穿梭；路上，無數(shù)的汽車通過GPS來規(guī)劃行駛路線；甚至，在你的手機(jī)后臺(tái)，一個(gè)個(gè)APP在貪婪地記錄著你的位置，在提供便利服務(wù)的同時(shí)，個(gè)人行蹤也被默默地上傳，作為大數(shù)據(jù)和所謂人工智能的食糧。 最關(guān)鍵的是，5G基站需要高精度的時(shí)間同步才能正常工作，這也要依賴于GPS。當(dāng)然，隨著中國的北斗系統(tǒng)的發(fā)展，GPS的重要性有所下降。

什么是GPS ？ GPS的全稱是Global Positionsing System，也就是全球定位系統(tǒng)。這個(gè)看似如此全球化的名字，實(shí)際上掌握在美國國防部手中，最初是作為軍用的，開放給民用之后，在全球形成了一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)鏈。

上世紀(jì)中葉，隨著美國在全球的擴(kuò)張，海陸空三軍都亟需一個(gè)可靠的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。海軍和空軍各自提出了各自的實(shí)現(xiàn)方案，甚至已經(jīng)開始了實(shí)驗(yàn)。 國防部一看，這些系統(tǒng)的復(fù)雜度很大，各家自行研發(fā)的話太費(fèi)錢了，既然大家的目標(biāo)是一致的，何不集中力量一起搞呢？ 于是，在1973年，GPS計(jì)劃在國防部下轄的衛(wèi)星導(dǎo)航定位聯(lián)合計(jì)劃局的領(lǐng)導(dǎo)下誕生了。 經(jīng)過了十幾年的方案論證，初步設(shè)計(jì)，全面研制以及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，終于在1989年，第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，宣告GPS系統(tǒng)進(jìn)入工程建設(shè)狀態(tài)。到了1994年，規(guī)模為24個(gè)的GPS星座已經(jīng)建成。

至此，GPS計(jì)劃共花掉了50億美元。 最初，耗費(fèi)了巨資的GPS系統(tǒng)完全由美國軍方使用，后來開放給民用，但給信號(hào)加入了選擇性誤差（增加干擾），用來降低定位精度。直到2000年5月，克林頓下令取消干擾，終于，民用信號(hào)也可以達(dá)到和軍用相同的精度了。 雖然美國已經(jīng)將這個(gè)先進(jìn)的系統(tǒng)免費(fèi)開放給全球民用，但其所有權(quán)依然屬于美國政府，因此美國隨時(shí)可以在一些地方關(guān)閉GPS服務(wù)。這樣的基礎(chǔ)服務(wù)一旦被掐斷，必然是痛徹心扉。 于是，其它國家紛紛著手研制自己的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。俄羅斯搞出來了個(gè)GLONASS系統(tǒng)（GLobal NAvigation Satellite System，格洛納斯）；歐盟也自食其力大力研發(fā)伽利略系統(tǒng)（Galileo）；中國的北斗（Beidou）導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)也在2020年得以建成。

上述這些衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，連帶GPS被統(tǒng)稱做GNSS（Global Navigation Satellite System，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）。GNSS看著和俄羅斯GLONASS的全稱是一樣的？還真一樣，不過由于縮寫不同，想要區(qū)分開還是很容易的。

GPS系統(tǒng)的組成 GPS系統(tǒng)主要由天上飛的衛(wèi)星（空間星座），地面監(jiān)控部分，以及用戶設(shè)備部分組成。2.1 星座：GPS衛(wèi)星星座原本設(shè)計(jì)由24顆衛(wèi)星組成，其中21顆為工作衛(wèi)星，3顆為備用衛(wèi)星。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面上，即每個(gè)軌道面上有4顆衛(wèi)星。

這些衛(wèi)星位于中地球軌道，平均高度為20200千米。衛(wèi)星軌道相對(duì)地球赤道面的傾角是55°，各軌道平面升交點(diǎn)的赤經(jīng)相差60°，衛(wèi)星的運(yùn)行周期是11小時(shí)58分鐘。

經(jīng)過對(duì)衛(wèi)星軌道布局的精心設(shè)計(jì)，可以保證在全球任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻至少可以觀測(cè)到4顆衛(wèi)星。為什么是4顆呢？這和定位的實(shí)現(xiàn)方式有關(guān)，在下文會(huì)詳細(xì)介紹。 2011年6月，美國空軍成功擴(kuò)展GPS衛(wèi)星星座，調(diào)整了6顆衛(wèi)星的位置，并加入多3顆衛(wèi)星。這使工作衛(wèi)星的數(shù)目增加至27顆，擴(kuò)大了GPS系統(tǒng)的覆蓋范圍，并提高了準(zhǔn)確度。 截止2020年9月，工作衛(wèi)星的數(shù)量為30顆，不包括退役及備用衛(wèi)星。 美國軍方除了增加衛(wèi)星數(shù)量之外，還要讓衛(wèi)星本身的設(shè)計(jì)和功能也更新?lián)Q代，并對(duì)系統(tǒng)軟件功能進(jìn)行升級(jí)。由于衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命僅為7.5年到15年，衛(wèi)星的更換工作會(huì)持續(xù)進(jìn)行，這叫做衛(wèi)星的現(xiàn)代化。

由上圖可以看出，最早的衛(wèi)星BLOCK IIA已經(jīng)全部退服，從2018年起目前正在替換最新一代衛(wèi)星GPS III/IIIF，民用信號(hào)不斷更新?lián)Q代，功能也不斷增強(qiáng)，設(shè)計(jì)壽命也不斷延長。 所以，不要以為幾十年前的系統(tǒng)就一定老舊，只要架構(gòu)搭建良好，擁有持續(xù)的升級(jí)能力，就可以做到歷久彌新。 要跟蹤GPS衛(wèi)星的運(yùn)行，監(jiān)控它們的傳輸狀態(tài)，分析工作性能，并發(fā)送相關(guān)的指令，必須要通過地面控制系統(tǒng)來進(jìn)行。 2.2 地面控制系統(tǒng)：地面控制系統(tǒng)包括：監(jiān)測(cè)站，主控站，地面天線站這三類。監(jiān)測(cè)站：跟蹤該區(qū)域經(jīng)過的GPS衛(wèi)星，收集衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，測(cè)距碼，載波等測(cè)量信息，以及大氣層相關(guān)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，最終會(huì)發(fā)送給主控站，并進(jìn)行相關(guān)的分析和處理。

監(jiān)測(cè)站共有16個(gè)，分布在全球各地。

一個(gè)1984-2007年間使用的GPS地面監(jiān)測(cè)站，現(xiàn)收藏于美國空軍太空與導(dǎo)彈博物館主控站：通過全球各個(gè)監(jiān)控站提供的數(shù)據(jù)來計(jì)算各個(gè)衛(wèi)星的精確位置，監(jiān)控衛(wèi)星的完整性和準(zhǔn)確性，執(zhí)行衛(wèi)星維護(hù)和異常解決，包括重新定位衛(wèi)星以保持最佳星座等操作，并生成導(dǎo)航數(shù)據(jù)以便向衛(wèi)星注入，還可提供各種指令來控制GPS星座。

主控站相當(dāng)于整個(gè)GPS系統(tǒng)的神經(jīng)中樞一樣，非常重要，因此存在兩個(gè)主控站作為相互備份。地面天線站：顧名思義，這種地面站有著大大的天線，也稱為注入站，它們可以直接和天上的衛(wèi)星通信，向衛(wèi)星發(fā)送命令，導(dǎo)航數(shù)據(jù)上傳和處理器程序加載。

地面天線站共有11個(gè)，由4個(gè)專用GPS地面天線和7個(gè)空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)絡(luò)（AFSCN，Air Force Satellite Control Network）遠(yuǎn)程跟蹤站組成。

遍布全球的GPS地面控制系統(tǒng) 2.3 GPS用戶設(shè)備：GPS用戶設(shè)備，也叫GPS接收機(jī)，顧名思義，就是接收GPS信號(hào)供各行各業(yè)使用的設(shè)備。 由于使用場(chǎng)景的不同，GPS接收機(jī)的類型是非常多的，大體可以分為導(dǎo)航型，測(cè)量型，以及授時(shí)型這三類。

用于無線通信基站之間同步的，當(dāng)然就是授時(shí)型GPS了。其在架構(gòu)上分為GPS天線和GPS接收機(jī)兩部分。 GPS接收機(jī)一般內(nèi)置于基站的BBU里面，用于GPS信號(hào)處理，并出一個(gè)接口用于連接GPS天線。GPS天線則必須安裝在不受遮擋的室外以方便接收信號(hào)。 3

GPS定位的原理 試想在西游的路上，唐僧身無一物，又很不巧地走到一個(gè)前不著村后不著店的地方迷了路，野外陰風(fēng)陣陣，狼嚎四起，這可咋辦？ 還能咋辦？趕緊找人問路??！ 終于遇到了一位放羊的老大爺，他便迫不及待追上去地問：我這是在哪里??？大爺也是個(gè)有意思的人，對(duì)數(shù)學(xué)有迷之興趣，淡然說到：這里離餓狼屯有10公里。 這句話所含的信息并不能確定唐僧的位置。因?yàn)橐责I狼屯為圓心，以10公里為半徑畫一個(gè)圓，他所在的位置就在這個(gè)長度為62.8公里的圓周上。 然而唐僧肯定是不甘心的，等待許久終于又看到一個(gè)扛著鐵鍬要去耕田的大叔，便又過去問路。

這位大叔也同樣有趣，說到：你現(xiàn)在離臥龍崗有15公里。 這家伙，到底說不說人話？好在信息越多，就離正確答案越接近。唐僧所在的位置，必然在圓心為餓狼屯，半徑為10公里的圓，以及臥龍崗為圓心，半徑15公里的圓這兩個(gè)圓的交點(diǎn)。然而交點(diǎn)有兩個(gè)，還是不能確定具體位置。 終于又等來了一個(gè)路過的小姑娘，唐僧只得又去問路。小姑娘莞爾一笑：圣僧莫要心焦，此處距盤絲洞有8公里，正好小女子要去那里赴宴，要不我們同行？ 話說憑此三條信息，必然可以唯一確定唐僧的位置。那就是餓狼屯，臥龍崗，以及盤絲洞這三個(gè)圓唯一的交點(diǎn)。

上述的定位方法，就叫做三邊定位?；舅枷刖褪牵吼I狼屯，臥龍崗，以及盤絲洞這三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)已知，并且它們到目標(biāo)點(diǎn)的距離也已知，就可以據(jù)此確定目標(biāo)點(diǎn)的位置。 GPS定位的基本原理正是如此，所不同的是，上面的定位是在一個(gè)平面上的，而GPS定位則是三維的，因此需要圍繞多個(gè)衛(wèi)星畫球并求得交點(diǎn)。 下圖是GPS定位的工作圖示：

1、GPS衛(wèi)星廣播自己的位置和精確時(shí)間t1； 2、GPS信號(hào)以光速C在空中傳播，速率為299792千米每秒； 3、GPS接收機(jī)收到信號(hào)，比較發(fā)送時(shí)間 t1 和自己收到信號(hào)的時(shí)間 T 便可知時(shí)間差，再乘以光速就是和衛(wèi)星的距離：d1 = C·(T-t1)； 4、假設(shè)衛(wèi)星的三維坐標(biāo)為（x1，y1，z1），GPS接收機(jī)的坐標(biāo)為（x，y，z），根據(jù)勾股定理，它們之間的距離還可以這么算：

參考第3步的結(jié)論，兩個(gè)式子合起來就有了這樣的一個(gè)方程：

理論上，使用三顆衛(wèi)星就有這樣三個(gè)這樣的方程，它們聯(lián)立就可以解出GSP接收機(jī)的坐標(biāo)（x，y，z）。 但是，由于GPS接收機(jī)上的時(shí)鐘的精度不高，差以毫厘謬以千里，因此將接收時(shí)間T當(dāng)做一個(gè)未知數(shù)來看待，這樣就有4個(gè)未知數(shù)，必須使用4顆衛(wèi)星才能完成精準(zhǔn)定位。

這一堆亂七八糟的方程其實(shí)可以直觀地理解，就是以4個(gè)衛(wèi)星為中心的球體相交于地球上的一點(diǎn)。 這一點(diǎn)，就正是我們要定位的目標(biāo)。

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GPS信號(hào)的發(fā)送 首先，讓我們考慮一下GPS定位需要哪些條件： 1. 要測(cè)量衛(wèi)星到目標(biāo)的距離，必須有特定編碼格式的信號(hào)可供GPS接收機(jī)捕獲，這就是測(cè)距碼。 2. GPS接收機(jī)必須知道至少4顆衛(wèi)星的精確位置和精確時(shí)間，這些數(shù)據(jù)需要編碼為導(dǎo)航電文，由衛(wèi)星源源不斷地向下來發(fā)送。 3. 要發(fā)射上述有用信號(hào)，必須使用一段較高頻率的電磁波作為工具來運(yùn)載，這就需要載波。

在傳統(tǒng)的GPS信號(hào)中，測(cè)距碼分為兩類：C/A碼和P碼。它們都屬于偽隨機(jī)噪聲碼，就像隨機(jī)噪聲一樣，不使用特定的接收機(jī)來接收，是感受不到它們的存在的。 C/A（Coarse/Acquisition）碼又被稱作粗碼/捕獲碼，這是一種公開的明碼，可供全球用戶免費(fèi)使用。但就像它的名稱一樣，提供的定位精度有限，所以只能民用。 P（Precision）碼又被稱作精碼，可較完善地消除電離層延遲，故用它來測(cè)距可獲得較精確的結(jié)果。P碼是一種結(jié)構(gòu)保密的軍用碼，經(jīng)加密后也叫做Y碼或者P（Y）碼，美國政府不提供給一般GPS民用用戶使用。 下面我們說導(dǎo)航電文（也叫數(shù)據(jù)碼）。 導(dǎo)航電文主要包括衛(wèi)星的星歷，衛(wèi)星歷書，衛(wèi)星時(shí)鐘，以及衛(wèi)星的健康狀態(tài)等參數(shù)。

衛(wèi)星星歷：由于衛(wèi)星無時(shí)無刻不在圍繞著地球運(yùn)轉(zhuǎn)，GPS接收機(jī)怎么知道它的詳細(xì)位置（三維坐標(biāo)）呢？ 這就要靠星歷表，里面有發(fā)送信號(hào)的衛(wèi)星在哪個(gè)軌道，以及每個(gè)時(shí)刻的精確位置。它是由分布在全球的16個(gè)監(jiān)測(cè)站對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，并由主控站進(jìn)行計(jì)算的，每兩小時(shí)更新一次。衛(wèi)星歷書：所有衛(wèi)星的粗略的衛(wèi)星軌道參數(shù)，更新周期較長，使用歷書計(jì)算衛(wèi)星位置只能達(dá)到公里級(jí)的精度，其作用是方便GPS接收機(jī)搜尋衛(wèi)星。衛(wèi)星時(shí)鐘：衛(wèi)星時(shí)鐘：每顆GPS衛(wèi)星上都裝有高精度的原子鐘，其時(shí)鐘是精準(zhǔn)的。

規(guī)定GPS與協(xié)調(diào)時(shí)UTC的時(shí)刻與1980年1月6日0時(shí)相一致。其后隨著時(shí)間的積累兩者之間的差別將表現(xiàn)為秒的整數(shù)倍。 有了這些數(shù)據(jù)，需要把它們都調(diào)制到載波上才能發(fā)射出去。 傳統(tǒng)的GPS衛(wèi)星有兩個(gè)工作頻段的載波：L1和L2。L1載波的頻率是1575.42MHz，L2載波的頻率是1227.60MHz。 衛(wèi)星內(nèi)部時(shí)鐘的頻率是10.23MHz，其他頻率都將由此生成。將其乘以154，便得到L1載波，將其乘以120，便得到L2載波。 L1載波主要是民用的，它能發(fā)民用信號(hào)C/A碼和軍用信號(hào)P碼，而L2載波是軍用頻段，只能發(fā)軍用的P碼，P碼比C/A碼的保密性要好得多。

隨著GPS衛(wèi)星的現(xiàn)代化，GPS發(fā)送的載波和信號(hào)不斷增加，能力也不斷增強(qiáng)。 2003年以后，L2載波也可以發(fā)送民用信號(hào)了，稱作L2C。使用雙頻的GPS終端將獲得更高的定位精度。 2005年以后，又增加了一個(gè)新的民用載波，頻率為1176MHz，稱作L5，它在專門為航空安全服務(wù)，具有更大的帶寬和先進(jìn)的信號(hào)設(shè)計(jì)，飛機(jī)可以同時(shí)使用L1和L5來提升定位精度。除此之外，在L1和L2載波還新增的新的軍用碼：M碼。 2018年以后，在最新發(fā)射的衛(wèi)星上還增加了第四個(gè)民用信號(hào)：L1C，專門用于和其他GNSS系統(tǒng)（前面講到的GLONASS，伽利略，北斗等）進(jìn)行交互。

在這些信號(hào)的加成之下，支持GPS普通的的智能手機(jī)在開闊地的定位精度能達(dá)到5米以內(nèi)，專業(yè)的高端雙頻GPS接收機(jī)能達(dá)到厘米級(jí)別的實(shí)時(shí)測(cè)量精度，長期測(cè)量精度甚至能到毫米級(jí)別。 5

基站GPS時(shí)鐘同步 基站內(nèi)部的GPS接收機(jī)收到并解調(diào)GPS信號(hào)中的定時(shí)信息之后，再結(jié)合自身的晶振，會(huì)輸出一個(gè)關(guān)鍵的信號(hào)：1PPS，專門用于網(wǎng)絡(luò)同步。 1PPS的全稱是1 Puls Per Second，意思就是秒脈沖，它每秒固定輸出一個(gè)方波，精度可達(dá)±20納秒，用于5G基站同步完全不在話下。

目前商用的4G網(wǎng)絡(luò)以FDD模式為主，大量使用了IP時(shí)鐘1588v2，在5G時(shí)代，這種依賴于傳輸網(wǎng)絡(luò)層層傳遞時(shí)鐘的方式，雖然理論上可行，在實(shí)際應(yīng)用中卻由于各種限制，精度難以滿足5G同步要求。

因此，以GPS為代表的GNSS系統(tǒng)，在5G時(shí)代又重新大放異彩。北斗，也在潤物細(xì)無聲地潛入我們的生活。 好了，本期的內(nèi)容就到這里，希望對(duì)大家有所幫助。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：GPS再牛，我們還是要有北斗

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