我在哪？ 現在是什么時間？ 要達到目的地該怎么走？ 說到GPS，大多數人的第一反應就是定位和導航，這是GPS設計的初衷，也是其最典型的應用。 并且，由于GPS免費、公開，并且性能可靠，全球的形形色色的大量用戶已經為其開發出了數百種用途，幾乎影響到我們生活的方方面面。 空中，飛機借助GPS導航在云中穿梭；路上，無數的汽車通過GPS來規劃行駛路線；甚至，在你的手機后臺，一個個APP在貪婪地記錄著你的位置，在提供便利服務的同時，個人行蹤也被默默地上傳，作為大數據和所謂人工智能的食糧。 最關鍵的是，5G基站需要高精度的時間同步才能正常工作，這也要依賴于GPS。當然，隨著中國的北斗系統的發展，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。這個看似如此全球化的名字，實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，在全球形成了一個巨大的產業鏈。

上世紀中葉，隨著美國在全球的擴張，海陸空三軍都亟需一個可靠的衛星定位系統。海軍和空軍各自提出了各自的實現方案，甚至已經開始了實驗。 國防部一看，這些系統的復雜度很大，各家自行研發的話太費錢了，既然大家的目標是一致的，何不集中力量一起搞呢？ 于是，在1973年，GPS計劃在國防部下轄的衛星導航定位聯合計劃局的領導下誕生了。 經過了十幾年的方案論證，初步設計，全面研制以及系統實驗，終于在1989年，第一顆GPS工作衛星發射成功，宣告GPS系統進入工程建設狀態。到了1994年，規模為24個的GPS星座已經建成。

至此，GPS計劃共花掉了50億美元。 最初，耗費了巨資的GPS系統完全由美國軍方使用，后來開放給民用，但給信號加入了選擇性誤差（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，民用信號也可以達到和軍用相同的精度了。 雖然美國已經將這個先進的系統免費開放給全球民用，但其所有權依然屬于美國政府，因此美國隨時可以在一些地方關閉GPS服務。這樣的基礎服務一旦被掐斷，必然是痛徹心扉。 于是，其它國家紛紛著手研制自己的衛星定位系統。俄羅斯搞出來了個GLONASS系統（GLobal NAvigation Satellite System，格洛納斯）；歐盟也自食其力大力研發伽利略系統（Galileo）；中國的北斗（Beidou）導航衛星系統也在2020年得以建成。

上述這些衛星導航系統，連帶GPS被統稱做GNSS（Global Navigation Satellite System，全球導航衛星系統）。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，想要區分開還是很容易的。

GPS系統的組成 GPS系統主要由天上飛的衛星（空間星座），地面監控部分，以及用戶設備部分組成。2.1 星座：GPS衛星星座原本設計由24顆衛星組成，其中21顆為工作衛星，3顆為備用衛星。24顆衛星均勻分布在6個軌道平面上，即每個軌道面上有4顆衛星。

這些衛星位于中地球軌道，平均高度為20200千米。衛星軌道相對地球赤道面的傾角是55°，各軌道平面升交點的赤經相差60°，衛星的運行周期是11小時58分鐘。

經過對衛星軌道布局的精心設計，可以保證在全球任何地點、任何時刻至少可以觀測到4顆衛星。為什么是4顆呢？這和定位的實現方式有關，在下文會詳細介紹。 2011年6月，美國空軍成功擴展GPS衛星星座，調整了6顆衛星的位置，并加入多3顆衛星。這使工作衛星的數目增加至27顆，擴大了GPS系統的覆蓋范圍，并提高了準確度。 截止2020年9月，工作衛星的數量為30顆，不包括退役及備用衛星。 美國軍方除了增加衛星數量之外，還要讓衛星本身的設計和功能也更新換代，并對系統軟件功能進行升級。由于衛星的設計壽命僅為7.5年到15年，衛星的更換工作會持續進行，這叫做衛星的現代化。

由上圖可以看出，最早的衛星BLOCK IIA已經全部退服，從2018年起目前正在替換最新一代衛星GPS III/IIIF，民用信號不斷更新換代，功能也不斷增強，設計壽命也不斷延長。 所以，不要以為幾十年前的系統就一定老舊，只要架構搭建良好，擁有持續的升級能力，就可以做到歷久彌新。 要跟蹤GPS衛星的運行，監控它們的傳輸狀態，分析工作性能，并發送相關的指令，必須要通過地面控制系統來進行。 2.2 地面控制系統：地面控制系統包括：監測站，主控站，地面天線站這三類。監測站：跟蹤該區域經過的GPS衛星，收集衛星發射的導航數據，測距碼，載波等測量信息，以及大氣層相關的數據。這些數據數據，最終會發送給主控站，并進行相關的分析和處理。

監測站共有16個，分布在全球各地。

一個1984-2007年間使用的GPS地面監測站，現收藏于美國空軍太空與導彈博物館主控站：通過全球各個監控站提供的數據來計算各個衛星的精確位置，監控衛星的完整性和準確性，執行衛星維護和異常解決，包括重新定位衛星以保持最佳星座等操作，并生成導航數據以便向衛星注入，還可提供各種指令來控制GPS星座。

主控站相當于整個GPS系統的神經中樞一樣，非常重要，因此存在兩個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星通信，向衛星發送命令，導航數據上傳和處理器程序加載。

地面天線站共有11個，由4個專用GPS地面天線和7個空軍衛星控制網絡（AFSCN，Air Force Satellite Control Network）遠程跟蹤站組成。

遍布全球的GPS地面控制系統 2.3 GPS用戶設備：GPS用戶設備，也叫GPS接收機，顧名思義，就是接收GPS信號供各行各業使用的設備。 由于使用場景的不同，GPS接收機的類型是非常多的，大體可以分為導航型，測量型，以及授時型這三類。

用于無線通信基站之間同步的，當然就是授時型GPS了。其在架構上分為GPS天線和GPS接收機兩部分。 GPS接收機一般內置于基站的BBU里面，用于GPS信號處理，并出一個接口用于連接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。 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前不著村后不著店的地方迷了路，野外陰風陣陣，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??？大爺也是個有意思的人，對數學有迷之興趣，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。因為以餓狼屯為圓心，以10公里為半徑畫一個圓，他所在的位置就在這個長度為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公里的圓這兩個圓的交點。然而交點有兩個，還是不能確定具體位置。 終于又等來了一個路過的小姑娘，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，以及盤絲洞這三個圓唯一的交點。

上述的定位方法，就叫做三邊定位。基本思想就是：餓狼屯，臥龍崗，以及盤絲洞這三個點的坐標已知，并且它們到目標點的距離也已知，就可以據此確定目標點的位置。 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平面上的，而GPS定位則是三維的，因此需要圍繞多個衛星畫球并求得交點。 下圖是GPS定位的工作圖示：

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

參考第3步的結論，兩個式子合起來就有了這樣的一個方程：

理論上，使用三顆衛星就有這樣三個這樣的方程，它們聯立就可以解出GSP接收機的坐標（x，y，z）。 但是，由于GPS接收機上的時鐘的精度不高，差以毫厘謬以千里，因此將接收時間T當做一個未知數來看待，這樣就有4個未知數，必須使用4顆衛星才能完成精準定位。

這一堆亂七八糟的方程其實可以直觀地理解，就是以4個衛星為中心的球體相交于地球上的一點。 這一點，就正是我們要定位的目標。

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GPS信號的發送 首先，讓我們考慮一下GPS定位需要哪些條件： 1. 要測量衛星到目標的距離，必須有特定編碼格式的信號可供GPS接收機捕獲，這就是測距碼。 2. GPS接收機必須知道至少4顆衛星的精確位置和精確時間，這些數據需要編碼為導航電文，由衛星源源不斷地向下來發送。 3. 要發射上述有用信號，必須使用一段較高頻率的電磁波作為工具來運載，這就需要載波。

在傳統的GPS信號中，測距碼分為兩類：C/A碼和P碼。它們都屬于偽隨機噪聲碼，就像隨機噪聲一樣，不使用特定的接收機來接收，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，故用它來測距可獲得較精確的結果。P碼是一種結構保密的軍用碼，經加密后也叫做Y碼或者P（Y）碼，美國政府不提供給一般GPS民用用戶使用。 下面我們說導航電文（也叫數據碼）。 導航電文主要包括衛星的星歷，衛星歷書，衛星時鐘，以及衛星的健康狀態等參數。

衛星星歷：由于衛星無時無刻不在圍繞著地球運轉，GPS接收機怎么知道它的詳細位置（三維坐標）呢？ 這就要靠星歷表，里面有發送信號的衛星在哪個軌道，以及每個時刻的精確位置。它是由分布在全球的16個監測站對衛星進行跟蹤觀測，并由主控站進行計算的，每兩小時更新一次。衛星歷書：所有衛星的粗略的衛星軌道參數，更新周期較長，使用歷書計算衛星位置只能達到公里級的精度，其作用是方便GPS接收機搜尋衛星。衛星時鐘：衛星時鐘：每顆GPS衛星上都裝有高精度的原子鐘，其時鐘是精準的。

規定GPS與協調時UTC的時刻與1980年1月6日0時相一致。其后隨著時間的積累兩者之間的差別將表現為秒的整數倍。 有了這些數據，需要把它們都調制到載波上才能發射出去。 傳統的GPS衛星有兩個工作頻段的載波：L1和L2。L1載波的頻率是1575.42MHz，L2載波的頻率是1227.60MHz。 衛星內部時鐘的頻率是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，它能發民用信號C/A碼和軍用信號P碼，而L2載波是軍用頻段，只能發軍用的P碼，P碼比C/A碼的保密性要好得多。

隨著GPS衛星的現代化，GPS發送的載波和信號不斷增加，能力也不斷增強。 2003年以后，L2載波也可以發送民用信號了，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，又增加了一個新的民用載波，頻率為1176MHz，稱作L5，它在專門為航空安全服務，具有更大的帶寬和先進的信號設計，飛機可以同時使用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，在最新發射的衛星上還增加了第四個民用信號：L1C，專門用于和其他GNSS系統（前面講到的GLONASS，伽利略，北斗等）進行交互。

在這些信號的加成之下，支持GPS普通的的智能手機在開闊地的定位精度能達到5米以內，專業的高端雙頻GPS接收機能達到厘米級別的實時測量精度，長期測量精度甚至能到毫米級別。 5

基站GPS時鐘同步 基站內部的GPS接收機收到并解調GPS信號中的定時信息之后，再結合自身的晶振，會輸出一個關鍵的信號：1PPS，專門用于網絡同步。 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方波，精度可達±20納秒，用于5G基站同步完全不在話下。

目前商用的4G網絡以FDD模式為主，大量使用了IP時鐘1588v2，在5G時代，這種依賴于傳輸網絡層層傳遞時鐘的方式，雖然理論上可行，在實際應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，在5G時代又重新大放異彩。北斗，也在潤物細無聲地潛入我們的生活。 好了，本期的內容就到這里，希望對大家有所幫助。

責任編輯：xj

原文標題：GPS再牛，我們還是要有北斗

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