经过长达20年的排星布阵,我们终于见证了北斗卫星导航系统的全面建成。相对于美国的GPS有着后来的据上的性能优势,对国家安全有着无与伦比的意义。
但不可否认的是,GPS确实导航系统的先驱。正是它,我们才习惯了无论在世界的哪个角落,都可以拿出手机,享受精确导航服务,甚至可以为无人驾驶汽车提供可能,这便是GPS带给我们的意义。
GPS一系列卫星的建造和发射成本高达120亿美元,但它在全球范围内的服务是免费的。
不过……,也不是真正不需要花钱的,确实是美国纳税人为这事儿买单了。为了维护和运营这个系统,需要持续不断地每天花费约200万美元。
但民用导航只是GPS的一部分,导航卫星主要是为了美军使用而发射的。GPS在这个星球上的任何地方,为美军所有部门提供飞机、船舶的精确定位信息。
第一颗GPS全球定位卫星于1978年2月22日由阿特拉斯运载火箭发射入轨。在接下来的7年中,又有10颗GPS卫星成功进入轨道。计划发射的12颗卫星中只有1个未能成功。这些第一代卫星验证了GPS系统的功能。
根据第一代项目中的经验教训,第二代导航卫星进行了大幅改进,实现了24颗卫星组成的系统,为美军提供全球GPS覆盖。这样就可以保证在任何时候,地球表面上的任何一点,能够直接调用至少有4颗卫星。
GPS是通过三边测量计算,来提供人们在地球上任何地点的位置信息的。卫星的轨道是固定可预测的,所以卫星在任何时间的确切位置我们都能够确定。同时地面基站会定期检查,以确保卫星的位置不会偏差。
GPS卫星不断向地球广播无线电信号,而手机中的GPS接收器则一直在监听这些信号。这些信号告诉我们的手机,这颗卫星的位置以及什么时候发送的,从而计算出接收信号的手机离卫星有多远。
因为无线电信号的传播速度等于光的速度,这样通过一颗卫星的位置,我们就能得知手机在多大公里的范围内。换句话说,我们就能够知道我们在多大范围的一个球体圆周上。
而综合从4颗卫星上获取的这些信息,通过结合每个球体,查看它们相交的位置,就能够准确地确定我们在地球上的位置。
这样一来,有一个精确的时间系统,对于该系统准确性至关重要。只要有20至30纳秒的误差,卫星测距的精确性就会变得不可接受。
所以每个卫星都装备了一个原子钟,这是最准确的计时装置。
但是,由于它们的尺寸和成本,这些原子钟不可能放在手机上,所以GPS卫星同时必须不断更新手机的时间,以确保它能够精确计算自身与卫星之间的距离。
为了使这个时间测量得足够准确,我们甚至必须考虑狭义相对论的影响。
卫星以每小时一万四千公里的速度运动,而地面上的接收器,比轨道上卫星移动慢得多。根据狭义相对论预测,卫星上原子钟每天比地面上的时钟慢7微秒。
这是移动速度的影响,此外还有高度影响。
这些卫星正在地球表面之上20,000公里的轨道上运行。广义相对论告诉我们,由于地球的引力对时空曲率的影响,地球表面的时钟会比太空轨道上的时钟慢。所以,如果我们计算地球表面由于重力引起的时间膨胀,对比离行星表面两万公里处的时间膨胀,我们就可以发现卫星上的时钟每天会变快45微秒。
加上前面由于移动速度影响带来的慢7微秒,我们必须使每个卫星上时钟比地球上的时钟,每天快38微秒才行。
如果忽视这些因素,GPS的准确度每天会偏差10公里,用不了多久就会完全失去作用。
感谢那些聪明的工程师的努力,以及发现相对论的爱因斯坦,我们在智能手机上实现了全球定位,其准确度在5米左右。
但是,这个系统一开始的开发目的就决定了,这不是一个民用系统,而是一个军事系统。为全世界开放这个系统,有可能会变成一种可能用于对抗美国的工具。
毕竟,导弹也使用这个系统进行导航。
GPS卫星是广播信号,这决定了它很难定向对用户收费。但GPS芯片可不是免费的,它的专利费和授权费足够让美国获得大量的利润。
另外开放GPS给其他国家使用,这就能够让其他国家在这方面产生依赖,同时抑制其他国家在导航定位技术方面的发展。
1983年9月16日,罗纳德·里根总统宣布全球定位系统将免费提供给公众使用。但是,导航信号精度加入了人为干扰,降低到100米左右,使其能用,但达不到军用的标准,这是为了保持美军的战术优势,并防止系统被用于恶意目的。
直到2000年,比尔·克林顿总统才签署了一项法案,停止GPS的人为干扰,并向全世界的人开放准确的GPS。这也是从另一方面回馈了开发GPS的美国公司,他们由此攫取了巨额利润。
但是免费的才是最贵的。
美国掌握了GPS,也就可以随时关闭GPS,如果依赖于GPS,在军事上将永远无法与美国竞争。
不管怎么说,GPS定位系统 的确是对全球人类有极大实际意义的高科技系统。近30年的全球免费使用,对全人类的日常生活、野外探险、防灾减灾的意义重大。
无论大家对美国是何态度,当我们面对GPS带给大家的好处时,还是要说声谢谢。