全球定位系统：修订间差异

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|name= 全球定位系统<br/>{{small|Global Positioning System (GPS)}}
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'''全球定位系统'''（{{lang-en|'''G'''lobal '''P'''ositioning '''S'''ystem}}，通常简称'''GPS'''），又称'''全球卫星定位系统'''，是[[美国国防部]]研制，[[美国太空军]]运营与维护的中距离圆型轨道[[卫星导航系统]]。它可以为[[地球]]表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的标准时间。全球定位系统可满足位于全球地面任何一处或近地空间的军事用户连续且精确地确定三维位置、三维运动和时间的需求。该系统包括[[太空]]中的31颗GPS[[人造卫星]]；地面上1个主控站、3个数据注入站和5个监测站，及作为用户端的GPS军用接收机器、智慧手机等。最少只需其中4卫星，就能迅速确定用户端在[[地球]]上所处的位置及[[海拔高度]]；所能接收到的卫星讯号数越多，解碼出来的位置就越精确。
'''全球定位系统'''（{{lang-en|'''G'''lobal '''P'''ositioning '''S'''ystem}}，通常简称'''GPS'''），又称'''全球卫星定位系统'''，是[[美国国防部]]研制，[[美国太空军]]运营与维护的中距离圆型轨道[[卫星导航系统]]。它可以为[[地球]]表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的标准时间。全球定位系统可满足位于全球地面任何一处或近地空间的军事用户连续且精确地确定三维位置、三维运动和时间的需求。该系统包括[[太空]]中的31颗GPS[[人造卫星]]；地面上1个主控站、3个数据注入站和5个监测站，及作为用户端的GPS军用接收机器、智慧手机等。最少只需其中4卫星，就能迅速确定用户端在[[地球]]上所处的位置及[[海拔高度]]；所能接收到的卫星讯号数越多，解碼出来的位置就越精确。


该系统由[[美国政府]]于1970年代开始进行研制，1978年2月首次发射，并于1994年全面建成。使用者只需拥有GPS接收芯片即可使用该服务。GPS信号分为民用的标准定位服务（SPS，Standard Positioning Service）和军用的精确定位服务（PPS，Precise Positioning Service）两类。由于GPS无须任何授权即可任意使用，原本美国因为担心敵对国家或敵对组织会利用GPS对美国发动攻击，故在民用讯号中人为地加入选择性误差（即SA政策，Selective Availability）以降低其精确度，使其最终定位精确度大概在100米左右；军规的精度在（20～1英尺）以下。2000年以后，[[比尔·克林顿]]政府决定取消对民用讯号的干擾。因此，现在民用GPS也可以达到（20～1英尺）左右的定位精度。<ref>{{Cite web |url=http://www.gps.gov/systems/gps/modernization/sa/ |title=Selective Availability |accessdate=2014-03-12 |||}}</ref>
该系统由[[美国政府]]于1970年代开始进行研制，1978年2月首次发射，并于1994年全面建成。使用者只需拥有GPS接收芯片即可使用该服务。GPS信号分为民用的标准定位服务（SPS，Standard Positioning Service）和军用的精确定位服务（PPS，Precise Positioning Service）两类。由于GPS无须任何授权即可任意使用，原本美国因为担心敵对国家或敵对组织会利用GPS对美国发动攻击，故在民用讯号中人为地加入选择性误差（即SA政策，Selective Availability）以降低其精确度，使其最终定位精确度大概在100米左右；军规的精度在（20～1英尺）以下。2000年以后，[[比尔·克林顿]]政府决定取消对民用讯号的干擾。因此，现在民用GPS也可以达到（20～1英尺）左右的定位精度。<ref>{{Cite web |url=http://www.gps.gov/systems/gps/modernization/sa/ |title=Selective Availability |accessdate=2014-03-12 }}</ref>


GPS系统拥有如下多种优点：使用低频讯号，就算天气不佳仍能保持相当的讯号穿透性；高达98%的全球覆盖率；高精度三维定速定时；快速、省时、高效率；应用广泛、多功能；可移动定位。不同于双星定位系统，使用过程中接收机不需要发出任何信号；此举增加了隐蔽性，提高了其军事应用效能。
GPS系统拥有如下多种优点：使用低频讯号，就算天气不佳仍能保持相当的讯号穿透性；高达98%的全球覆盖率；高精度三维定速定时；快速、省时、高效率；应用广泛、多功能；可移动定位。不同于双星定位系统，使用过程中接收机不需要发出任何信号；此举增加了隐蔽性，提高了其军事应用效能。


== GPS系统发展历程 ==
== GPS系统发展历程 ==
[[File:Navstar.jpg|250px|缩略图|自1978年以来已经有超过50颗GPS和[[NAVSTAR]]卫星进入轨道. ]]
[[File:Navstar.jpg|250px|thumb|自1978年以来已经有超过50颗GPS和[[NAVSTAR]]卫星进入轨道. ]]
[[File:VICSPopup.jpg|250px|缩略图|民间车用GPS裝置<ref>{{Cite web |url=http://item.btime.com/37cbnhj73849aopl2fccosprsmp?from=browser404 |title=太依赖GPS让人变路痴:大脑认路功能会因此退化-北京时间 |accessdate=2017-03-30 |||}}</ref>]]
[[File:VICSPopup.jpg|250px|thumb|民间车用GPS裝置<ref>{{Cite web |url=http://item.btime.com/37cbnhj73849aopl2fccosprsmp?from=browser404 |title=太依赖GPS让人变路痴:大脑认路功能会因此退化-北京时间 |accessdate=2017-03-30 }}</ref>]]
=== 前身 ===
=== 前身 ===
GPS系统的前身为[[美军]]研制的{{link-en|子午仪卫星定位系统|Transit_(satellite)}}，1958年研制，1964年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的卫星网工作，每天最多绕过[[地球]]13次，但无法给出[[高度]]信息，在定位[[精度]]方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的[[经验]]，并验证了由卫星系统进行[[定位]]的可行性，为GPS系统的研制打下基础。由于卫星定位显示出在[[导航]]方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷，美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。为此，[[美国海军研究实验室]]提出了名为Tinmation，用12到18颗卫星组成，10000公里高度的全球定位网计划，并于1967年、1969年和1974年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了[[原子钟]]计时系统，这是GPS系统精确定位的基础。而[[美国空军]]则提出了621-B：以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划，这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道。该计划以伪随机码（PRN）为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的1％时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS系统得以取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为[[舰船]]提供低动态的2维定位，空军的计划能供提供高动态[[服务]]，然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用，而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以1973年[[美国国防部]]将2者合二为一，并由国防部下辖的卫星导航定位联合计划局（JPO）领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，包括[[美国陆军]]、海军、[[美国海军陆战队|海军陆战队]]、交通部、国防制图局、[[北约]]和[[澳大利亚]]的代表处。
GPS系统的前身为[[美军]]研制的{{link-en|子午仪卫星定位系统|Transit_(satellite)}}，1958年研制，1964年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的卫星网工作，每天最多绕过[[地球]]13次，但无法给出[[高度]]信息，在定位[[精度]]方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的[[经验]]，并验证了由卫星系统进行[[定位]]的可行性，为GPS系统的研制打下基础。由于卫星定位显示出在[[导航]]方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷，美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。为此，[[美国海军研究实验室]]提出了名为Tinmation，用12到18颗卫星组成，10000公里高度的全球定位网计划，并于1967年、1969年和1974年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了[[原子钟]]计时系统，这是GPS系统精确定位的基础。而[[美国空军]]则提出了621-B：以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划，这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道。该计划以伪随机码（PRN）为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的1％时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS系统得以取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为[[舰船]]提供低动态的2维定位，空军的计划能供提供高动态[[服务]]，然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用，而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以1973年[[美国国防部]]将2者合二为一，并由国防部下辖的卫星导航定位联合计划局（JPO）领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，包括[[美国陆军]]、海军、[[美国海军陆战队|海军陆战队]]、交通部、国防制图局、[[北约]]和[[澳大利亚]]的代表处。
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== GPS系统的组成 ==
== GPS系统的组成 ==
[[File:Global Positioning System satellite.jpg|缩略图|右|upright=0.8|未发射的GPS Block II-A卫星在圣地亚哥航空航天博物馆中上展出。]]
[[File:Global Positioning System satellite.jpg|thumb|right|upright=0.8|未发射的GPS Block II-A卫星在圣地亚哥航空航天博物馆中上展出。]]
GPS系统主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分组成。
GPS系统主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分组成。


=== 空间星座部分 ===
=== 空间星座部分 ===
{{main|GPS卫星|GPS卫星列表}}
{{main|GPS卫星|GPS卫星列表}}
[[File:GPS24goldenSML.gif|缩略图|upright=1.35|一个随着地球自转的24颗GPS[[卫星星座]]例子。可以观察到地球表面的某一点能接收到卫星信号数量是如何随时间变化的。例子中的接受信号点位于美国科罗拉多州戈尔登({{coord|39.7469|N|105.2108|W}})。]]
[[File:GPS24goldenSML.gif|thumb|upright=1.35|一个随着地球自转的24颗GPS[[卫星星座]]例子。可以观察到地球表面的某一点能接收到卫星信号数量是如何随时间变化的。例子中的接受信号点位于美国科罗拉多州戈尔登({{coord|39.7469|N|105.2108|W}})。]]
GPS[[卫星星座]]原本设计由24颗[[GPS卫星|卫星]]组成，其中21颗为工作卫星，3颗为备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个[[轨道平面]]上，即每个轨道面上有4颗卫星。卫星轨道面相对于[[地球]]赤道面的[[轨道倾角]]为55°，各轨道平面的[[轨道交点|升交点]]的[[赤经]]相差60°，一个轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星升交角距超前30°。这种布局的目的是保证在全球任何地点、任何时刻至少可以观测到4颗卫星。
GPS[[卫星星座]]原本设计由24颗[[GPS卫星|卫星]]组成，其中21颗为工作卫星，3颗为备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个[[轨道平面]]上，即每个轨道面上有4颗卫星。卫星轨道面相对于[[地球]]赤道面的[[轨道倾角]]为55°，各轨道平面的[[轨道交点|升交点]]的[[赤经]]相差60°，一个轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星升交角距超前30°。这种布局的目的是保证在全球任何地点、任何时刻至少可以观测到4颗卫星。


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由GPS系统的工作原理可知，卫星时钟的精确度越高，其定位精度也越高。早期试验型卫星采用由霍普金斯大学研制的[[石英晶体谐振器|石英振荡器]]，相对频率稳定度为<math>10^{-11}</math>/秒。误差为14m。1974年以后，GPS卫星采用[[铷]][[原子钟]]，相对频率稳定度达到<math>10^{-12}</math>/秒，[[误差]]8m。1977年，BLOCK II型采用了马斯频率和时间系统公司研制的[[铯]]原子钟后，相对稳定频率达到<math>10^{-13}</math>/秒，误差再降为2.9m。1981年，休斯公司研制的相对稳定频率为<math>10^{-14}</math>/秒的氢原子钟使BLOCK IIR型卫星误差降至仅为1m。
由GPS系统的工作原理可知，卫星时钟的精确度越高，其定位精度也越高。早期试验型卫星采用由霍普金斯大学研制的[[石英晶体谐振器|石英振荡器]]，相对频率稳定度为<math>10^{-11}</math>/秒。误差为14m。1974年以后，GPS卫星采用[[铷]][[原子钟]]，相对频率稳定度达到<math>10^{-12}</math>/秒，[[误差]]8m。1977年，BLOCK II型采用了马斯频率和时间系统公司研制的[[铯]]原子钟后，相对稳定频率达到<math>10^{-13}</math>/秒，误差再降为2.9m。1981年，休斯公司研制的相对稳定频率为<math>10^{-14}</math>/秒的氢原子钟使BLOCK IIR型卫星误差降至仅为1m。


2011年6月，[[美国空军]]成功扩展GPS卫星星座，整调6颗卫星的位置，并加入多3颗卫星。这使工作卫星的数目增加至27颗，扩大了GPS系统的覆盖范围，并提高了準确度。<ref name="Space Segment">{{cite web |author1=NOAA |title=Space Segment |url=https://www.gps.gov/systems/gps/space/ |website=GPS.gov |accessdate=2019-01-20 |||}}</ref>
2011年6月，[[美国空军]]成功扩展GPS卫星星座，整调6颗卫星的位置，并加入多3颗卫星。这使工作卫星的数目增加至27颗，扩大了GPS系统的覆盖范围，并提高了準确度。<ref name="Space Segment">{{cite web |author1=NOAA |title=Space Segment |url=https://www.gps.gov/systems/gps/space/ |website=GPS.gov |accessdate=2019-01-20 }}</ref>


=== 地面监控部分 ===
=== 地面监控部分 ===
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== 计时器溢出反转问题 ==
== 计时器溢出反转问题 ==
{{Anchor|1999年8月21日问题}}
{{Anchor|1999年8月21日问题}}
全球定位系统同时会广播一个时钟数据，其中里面有一个表达一周的计数器，为十位二进制值，值域为0~1023，在过了1024周（约19.7年）后，值会溢出反转为0，由于有很多设备（例如：广播公司、移动运营商、或者进行同步支付操作的）利用这个数据作为授时来源，如果没有应对这个现象作特殊处理的话，设备时间会被退回20~40年的时间。<ref name=":0" />第一次反转时为UTC 1999年8月21日至8月22日午夜；第二次反转发生于UTC 2019年4月6日至4月7日晚上，<ref>{{Cite web|url=https://www.energy.gov/oe/articles/april-2019-global-positioning-system-gps-week-number-rollover|title=The April 2019 Global Positioning System (GPS) Week Number Rollover|website=Energy.gov|language=en|access-date=2019-03-14|||}}</ref>美国国土安全部，国际民用航空组织和其他机构对此事件作出了警告。<ref name=":0">{{Cite web|url=https://techfocus.cz/1129-jiz-pristi-mesic-nastane-rollover-prestane-fungovat-celosvetove-system-gps.html|title=Již příští měsíc nastane rollover: Přestane fungovat celosvětově systém GPS?|website=techfocus.cz|language=cs|access-date=2019-03-14|||}}</ref><ref>{{Cite web|url=https://vtm.zive.cz/clanky/blizi-se-gps-week-number-rollover-event-stare-prijimace-mohou-prestat-fungovat/sc-870-a-197225/default.aspx|title=Blíží se GPS Week Number Rollover Event. Staré přijímače mohou přestat fungovat|last=Čížek|first=Jakub|website=VTM.cz|language=cs|access-date=2019-03-14|||}}</ref>
全球定位系统同时会广播一个时钟数据，其中里面有一个表达一周的计数器，为十位二进制值，值域为0~1023，在过了1024周（约19.7年）后，值会溢出反转为0，由于有很多设备（例如：广播公司、移动运营商、或者进行同步支付操作的）利用这个数据作为授时来源，如果没有应对这个现象作特殊处理的话，设备时间会被退回20~40年的时间。<ref name=":0" />第一次反转时为UTC 1999年8月21日至8月22日午夜；第二次反转发生于UTC 2019年4月6日至4月7日晚上，<ref>{{Cite web|url=https://www.energy.gov/oe/articles/april-2019-global-positioning-system-gps-week-number-rollover|title=The April 2019 Global Positioning System (GPS) Week Number Rollover|website=Energy.gov|language=en|access-date=2019-03-14}}</ref>美国国土安全部，国际民用航空组织和其他机构对此事件作出了警告。<ref name=":0">{{Cite web|url=https://techfocus.cz/1129-jiz-pristi-mesic-nastane-rollover-prestane-fungovat-celosvetove-system-gps.html|title=Již příští měsíc nastane rollover: Přestane fungovat celosvětově systém GPS?|website=techfocus.cz|language=cs|access-date=2019-03-14}}</ref><ref>{{Cite web|url=https://vtm.zive.cz/clanky/blizi-se-gps-week-number-rollover-event-stare-prijimace-mohou-prestat-fungovat/sc-870-a-197225/default.aspx|title=Blíží se GPS Week Number Rollover Event. Staré přijímače mohou přestat fungovat|last=Čížek|first=Jakub|website=VTM.cz|language=cs|access-date=2019-03-14}}</ref>


== 其他定位系统 ==
== 其他定位系统 ==
[[File:Gps compass galileo frequency allocation Asimsky 05 2008.jpg|缩略图|500px|[[GPS|全球卫星定位系统（GPS）]]，[[伽利略定位系统|伽利略定位系统（Galileo）]]和[[北斗卫星导航系统]]（BDS 曾用名COMPASS）的频率使用分布图; E1浅红色波段目前暂未探测到有讯号]]
[[File:Gps compass galileo frequency allocation Asimsky 05 2008.jpg|thumb|500px|[[GPS|全球卫星定位系统（GPS）]]，[[伽利略定位系统|伽利略定位系统（Galileo）]]和[[北斗卫星导航系统]]（BDS 曾用名COMPASS）的频率使用分布图; E1浅红色波段目前暂未探测到有讯号]]
除了美国的GPS系统外，目前正在运行的全球卫星定位系统还有[[俄罗斯]]的[[GLONASS]]系统和中国的[[北斗卫星导航定位系统]]。
除了美国的GPS系统外，目前正在运行的全球卫星定位系统还有[[俄罗斯]]的[[GLONASS]]系统和中国的[[北斗卫星导航定位系统]]。


取自“https://www.qiuwenbaike.cn/wiki/全球定位系统”