定位衛星系統與我們的生活密不可分

衛星距離我們很遙遠嗎？其實衛星在我們的生活中發揮了很重要的作用，不同種類的衛星可以發揮不同的作用，衛星可以觀測地球氣候，了解每日天氣，還可以提供通訊服務，軍事服務，定位服務等等。相較而言，定位衛星是全球使用最多的衛星種類之一，因為定位功能是我們每天都要用到的。另外，定位衛星還有很大的軍事用途，也就是說定位衛星是可以軍民兩用的衛星種類之一。

全球有幾種定位衛星系統呢？分別是美國的全球定位系統GPS，我國的北斗定位系統，歐洲的伽利略定位系統，印度的NavIC定位系統。雖然定位系統的名稱和主要服務國不同，但是這些衛星在工作原理，覆蓋原理和衛星結構等部分來說是大同小異的，接下來，我們重點來看看GPS全球定位系統吧，因為GPS是使用時間最久的定位系統。

中國北斗與美國GPS的衛星軌道圖

GPS及其他定位衛星的功用

GPS有24顆衛星，它可以為空中，海上和陸地旅行的單位提供位置和速度參數。現在，無論是民用還是軍用的單位都可以使用GPS。GPS衛星系統由六個以地球為中心的軌道平面組成，每個平面都有四顆衛星。關於定位環境，其實無論是GPS還是其他定位衛星都可以在所有天氣條件下工作。

GPS包括其他定位系統對於現代社會來說是非常重要的，它的功能也不只有定位，還有很多功能，比如自然災害的緊急響應功能。假設某個地區發生了大火，GPS或者其他定位系統衛星都可以繪製受災區域地圖，跟蹤並預測天氣，幫助保護消防員的安全等等。歐洲的伽利略和俄羅斯的GLONASS定位系統還可以觀察車禍等小型非自然災難問題，這可以幫助當地政務部門更有效的處理信息。

工程師正在處理測試GPS衛星IIR模塊

GPS等其他定位系統在農業，自動駕駛汽車，軍事，移動通信，無人機和漁業等等領域都有廣泛應用。現在，定位系統的很多新技術也被開發出來了，比如說跟蹤瀕臨滅絕的物種，保護自然物種不被滅絕等等。此前就有執法部門將小型GPS設備放置在象牙中，以便執法部門可以跟蹤和查找非法商人，並拯救瀕臨滅絕的野生動植物。

GPS的「前世今生」

定位衛星一詞由來已久。在1957年，蘇聯發射了人造衛星I，這顆衛星成為了初代的地理定位衛星，而在1960年，美國軍方開始通過衛星導航跟蹤潛艇，這導致了早期GPS系統的產生，一開始的GPS系統也被稱為TRANSIT系統。

工程師正在研發GPS III衛星的完整衛星原型，在拍攝照片之前，工程師完成了GPS III有效載荷元件的熱真空測試

在過去，GPS僅供政府使用。不過在1970年代初期，美國國防部啟動了帶有定時和測距的導航系統，也就是NAVSTAR定位項目，這使得GPS可以被公開，成為一種商業級定位方法。不過直到1983年，GPS才開始讓公民使用。很有趣的是，政府在一開始會控制信號並降低GPS設備的精度，當時他們的解釋是公民擁有選擇可用性設備的問題。

在1990年代初期，GPS服務分為用於公眾標準定位服務SPS和用於軍事用途的精確定位服務PPS。儘管在覆蓋範圍和準確性方面存在一些限制，但GPS在軍民不同領域中都發揮了重要作用。1993年，24顆GPS衛星陣列全部投入運行，這基本確立了GPS的主結構。之後，美國政府於2000年終止了公民選擇可用性條文，在2004年，高通公司成功在手機上完成了實時GPS功能的測試，GPS從此終於走進了千家萬戶。

完成系統級熱真空測試後，技術人員和工程師檢查了GPS III衛星

GPS及其他定位系統的工作與精度偏差問題

那麼GPS是如何幫助我們定位的呢？首先單個衛星會廣播一個微波信號，GPS設備，比如我們的手機會拾取該微波信號，然後使用該微波信號來計算GPS設備到衛星的距離。由於GPS設備僅提供到衛星距離的信息，因此，單個衛星提供的位置信息是不夠準確的。總結來說，其實環繞地球運行的GPS衛星會發送一個獨特的信號，然後由位於地球表面的GPS設備讀取和解釋該信號。為了計算位置，GPS必須讀取至少四顆衛星的信號才能做出正確反饋。

GPS衛星陣列中的每顆衛星每天都會繞地球飛行兩圈，而且每顆衛星發送的信息都不同，比如軌道參數，衛星信號和時間等等，這其實是為了信號安全。在軍事領域當中，或者說一些特殊領域之中，GPS設備可以讀取六顆或更多顆衛星的信號，但是一般來說普通民用只讀取四顆GPS信號。

關於民用GPS定位，其實我們可以這樣理解，三顆衛星就可以在地球表面上產生一個位置，但是通常需要使用第四顆衛星才能驗證位置。也就是說前三顆衛星負責平面定位，這就是二維，還需要第四顆衛星才能將我們帶入第三維並計算設備的高度。

隨著設備的移動，到衛星的距離就會改變。隨著半徑的變化，將會產生新的三維表面，這時候衛星就可以定位了。比如現在的汽車導航，GPS衛星可以通過獲取的時間，來確定速度，計算到目的地的距離以及所需的時間。

GPS彈跳或多路徑在行業中被稱為GPS信號從混凝土，玻璃和屋頂等物體折射出來時發生。當在建築物內停放車輛或在奧克蘭市區等城市的高層地區行駛時，多逕行駛最為普遍。

GPS微波信號偏差是一個常見問題，之前不易解決。但是現在，新的Argus Tracking系統可以通過使用硬體和軟體智能工具，將偏差機率減少98%

看到這裡我們大家好像覺得定位衛星都很厲害，還可以立體定位設備的位置，但是其實GPS還有一個精度問題。GPS設備的精度取決於許多變量，比如設備是否在空曠地區，如果在空曠地區，GPS精度往往會更高。當設備被大型建築物包圍時，衛星信號可能會被建築物阻擋，然後從建築物反彈，這可能導致衛星對距離的錯誤計算。通常，高質量的設備，比如雙通道GPS設備可以以95％的機率下提供優於2.2米的水平精度，可以以99%的機率提供優於3米的精度。

未來的定位系統將如何發展

儘管GPS的性能非常好，總體上超出了預期，但GPS仍需要進行一些重大改進。在過去十年中，隨著使用和改進GPS的經驗不斷累積，衛星通訊學家們也需要為未來的GPS系統做個規劃。

這張照片是在第一顆GPS III衛星剛剛通過真空環境測試後拍攝的

全球的定位系統都在努力提高準確性和可靠性，因為GPS定位，尤其是定位技術對於現代生活是不可缺少的。目前，澳大利亞和紐西蘭將試用基於定位衛星的增強系統，該系統將能夠計算誤差並將校正信息發送到GPS設備。基於衛星的增強系統還可以從其他系統收集數據，例如電離層資料庫，時鐘遷移資料庫等。

未來的GPS或其他定位衛星的構想

除此之外，科學工業的水平也在不斷進步，無論是GPS還是接收器設備內部的應答晶片將變得更小，更準確，更高效。接下來，還要鞏固和解決GPS的安全問題，下一代GPS衛星的設計和製造趨勢是對信號的保護，使其效率更高，並且不易受到其他自然干擾。我相信不只是GPS，其他定位系統未來也會有一個新的革新。

當然，在任何時候，美國都可以簡單地將該系統從公眾手中奪走，並削弱世界各地的許多業務，因此，各國已經開始建造自己的定位系統來使用。但是定位系統萬變不離其宗，基礎定位模式，工作原理是不會有太大變化的，隨之而變的是衛星的安全化，小型化，高效化的設計。