什么是GPS？

　　我在哪？ 现在 是 什么时间？ 要达到目的地该怎么走？ 说到GPS，大多数人的第一反应就是定位和导航，这是GPS设计的初衷，也是其最典型的应用。 并且，由于GPS免费、公开，并且性能可靠，全球的形形色色的大量用户已经为其开发出了数百种用途，几乎影响到我们生活的方方面面。 空中，飞机借助GPS导航在云中穿梭；路上，无数的汽车通过GPS来规划行驶路线；甚至，在你的手机后台，一个个APP在贪婪地记录着你的位置，在提供便利服务的同时，个人行踪也被默默地上传，作为大数据和所谓人工智能的食粮。
　　最关键的是，5G基站需要高精度的时间同步才能正常工作，这也要依赖于GPS。当然，随着中国的北斗系统的发展，GPS的重要性有所下降。

　　什么是GPS ？
　　GPS的全称是Global Positionsing System，也就是全球定位系统。 这个看似如此全球化的名字，实际上掌握在美国国防部手中，最初是作为军用的，开放给民用之后，在全球形成了一个巨大的产业链。
　　
　　上世纪中叶，随着美国在全球的扩张 ，海陆空三军都亟需一个可靠的卫星定位系统。 海军和空军各自提出了各自的实现方案，甚至已经开始了实验。 国防部一看，这些系统的复杂度很大，各家自行研发的话太费钱了，既然大家的目标是一致的，何不集中力量一起搞呢？
　　于是，在1973年，GPS计划在国防部下辖的卫星导航定位联合计划局的领导下诞生了。 经过了十几年的方案论证，初步设计，全面研制以及系统实验，终于在1989年，第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告GPS系统进入工程建设状态。到了1994年，规模为24个的GPS星座已经建成。至此，GPS计划共花掉了50亿美元。 最初，耗费了巨资的GPS系统完全由美国军方使用，后来开放给民用，但给信号加入了选择性误差（增加干扰），用来降低定位精度。直到2000年5月，克林顿下令取消干扰，终于，民用信号也可以达到和军用相同的精度了。
　　虽然美国已经将这个先进的系统免费开放给全球民用，但其所有权依然属于美国***，因此美国随时可以在一些地方关闭GPS服务。这样的基础服务一旦被掐断，必然是痛彻心扉。在1999年，美国就对印巴冲突中的印度这么干过。
　　其实毛爷爷早就教导过我们：“ 自己动手，丰衣足食。嗟来之食，吃下去肚子要痛的。 ”其他国家自然也不愿看人眼色，纷纷着手研制自己的卫星定位系统。 于是，俄罗斯搞出来了个GLONASS系统（GLobal NAvigation Satellite System，格洛纳斯）；欧盟也自食其力大力研发伽利略系统（Galileo）；中国的北斗（Beidou）导航卫星系统也在2020年得以建成。
　　
　　上述这些卫星导航系统，连带GPS被统称做GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）。GNSS看着和俄罗斯GLONASS的全称是一样的？还真一样，不过由于缩写不同，想要区分开还是很容易的。

　　GPS系统的组成
　　GPS系统主要由天上飞的 卫星（空间星座），地面监控部分 ，以及 用户设备 部分组成。 2.1 星座：
　　GPS卫星星座原本设计由24颗卫星组成，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。
　　这些卫星位于中地球轨道，平均高度为20200千米。卫星轨道相对地球赤道面的倾角是55°，各轨道平面升交点的赤经相差60°，卫星的运行周期是11小时58分钟。
　　经过对卫星轨道布局的精心设计，可以保证在全球任何地点、任何时刻至少可以观测到4颗卫星。为什么是4颗呢？这和定位的实现方式有关，在下文会详细介绍。 2011年6月，美国空军成功扩展GPS卫星星座，调整了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，并提高了准确度。 截止2020年9月，工作卫星的数量为30颗，不包括退役及备用卫星。
　　美国军方除了增加卫星数量之外，还要让卫星本身的设计和功能也更新换代，并对系统软件功能进行升级。由于卫星的设计寿命仅为7.5年到15年，卫星的更换工作会持续进行，这叫做卫星的现代化。
　　
　　由上图可以看出，最早的卫星BLOCK IIA已经全部退服，从2018年起目前正在替换最新一代卫星GPS III/IIIF，民用信号不断更新换代，功能也不断增强，设计寿命也不断延长。 所以，不要以为几十年前的系统就一定老旧，只要架构搭建良好，拥有持续的升级能力，就可以做到历久弥新。 要跟踪GPS卫星的运行，监控它们的传输状态，分析工作性能，并发送相关的指令，必须要通过地面控制系统来进行。
　　2.2 地面控制系统： 地面控制系统包括： 监测站，主控站，地面天线站 这三类。 监测站 ：跟踪该区域经过的GPS卫星，收集卫星发射的导航数据，测距码，载波等测量信息，以及大气层相关的数据。这些数据数据，最终会发送给主控站，并进行相关的分析和处理。
　　
　　监测站共有16个，分布在全球各地。
　　一个1984-2007年间使用的GPS地面监测站，现收藏于美国空军太空与导弹博物馆
　　主控站 ：通过全球各个监控站提供的数据来计算各个卫星的精确位置，监控卫星的完整性和准确性，执行卫星维护和异常解决，包括重新定位卫星以保持最佳星座等操作，并生成导航数据以便向卫星注入，还可提供各种指令来控制GPS星座。
　　
　　主控站相当于整个GPS系统的神经中枢一样，非常重要，因此存在两个主控站作为相互备份。
　　地面天线站 ：顾名思义，这种地面站有着大大的天线，也称为注入站，它们可以直接和天上的卫星通信，向卫星发送命令，导航数据上传和处理器程序加载。
　　地面天线站共有11个，由4个专用GPS地面天线和7个空军卫星控制网络（AFSCN，Air Force Satellite Control Network）远程跟踪站组成。
　　遍布全球的GPS地面控制系统
　　2.3 GPS用户设备： GPS用户设备，也叫GPS接收机，顾名思义，就是接收GPS信号供各行各业使用的设备。 由于使用场景的不同，GPS接收机的类型是非常多的，大体可以分为导航型，测量型，以及授时型这三类。
　　
　　用于无线通信基站之间同步的，当然就是授时型GPS了。其在架构上分为GPS天线和GPS接收机两部分。 GPS接收机一般内置于基站的BBU里面，用于GPS信号处理，并出一个接口用于连接GPS天线。GPS天线则必须安装在不受遮挡的室外以方便接收信号。

　　GPS定位的原理
　　试想在西游的路上，唐僧身无一物，又很不巧地走到一个前不着村后不着店的地方迷了路，野外阴风阵阵，狼嚎四起，这可咋办？ 还能咋办？赶紧找人问路啊！ 终于遇到了一位放羊的老大爷，他便迫不及待追上去地问：我这是在哪里啊？大爷也是个有意思的人，对数学有迷之兴趣，淡然说到：这里离饿狼屯有10公里。 这句话所含的信息并不能确定唐僧的位置。因为以饿狼屯为圆心，以10公里为半径画一个圆，他所在的位置就在这个长度为62.8公里的圆周上。 然而唐僧肯定是不甘心的，等待许久终于又看到一个扛着铁锹要去耕田的大叔，便又过去问路。这位大叔也同样有趣，说到：你现在离卧龙岗有15公里。
　　这家伙，到底说不说人话？好在信息越多，就离正确答案越接近。唐僧所在的位置，必然在圆心为饿狼屯，半径为10公里的圆，以及卧龙岗为圆心，半径15公里的圆这两个圆的交点。然而交点有两个，还是不能确定具体位置。 终于又等来了一个路过的小姑娘，唐僧只得又去问路。小姑娘莞尔一笑：圣僧莫要心焦，此处距盘丝洞有8公里，正好小女子要去那里赴宴，要不我们同行？ 话说凭此三条信息，必然可以唯一确定唐僧的位置。那就是饿狼屯，卧龙岗，以及盘丝洞这三个圆唯一的交点。
　　上述的定位方法，就叫做三边定位。基本思想就是：饿狼屯，卧龙岗，以及盘丝洞这三个点的坐标已知，并且它们到目标点的距离也已知，就可以据此确定目标点的位置。 GPS定位的基本原理正是如此，所不同的是，上面的定位是在一个平面上的，而GPS定位则是三维的，因此需要围绕多个卫星画球并求得交点。 下图是GPS定位的工作图示：
　　
　　1、GPS卫星广播自己的位置和精确时间t1；
　　2、GPS信号以光速C在空中传播，速率为299792千米每秒； 3、GPS接收机收到信号，比较发送时间 t1 和自己收到信号的时间 T 便可知时间差，再乘以光速就是和卫星的距离：d1 = C·（T-t1）；
　　4、假设卫星的三维坐标为（x1，y1，z1），GPS接收机的坐标为（x，y，z），根据勾股定理，它们之间的距离还可以这么算：
　　
　　参考第3步的结论，两个式子合起来就有了这样的一个方程：
　　
　　理论上，使用三颗卫星就有这样三个这样的方程，它们联立就可以解出GSP接收机的坐标（x，y，z）。 但是，由于GPS接收机上的时钟的精度不高，差以毫厘谬以千里，因此将接收时间T当做一个未知数来看待，这样就有4个未知数，必须使用4颗卫星才能完成精准定位。
　　
　　这一堆乱七八糟的方程其实可以直观地理解，就是以4个卫星为中心的球体相交于地球上的一点。 这一点，就正是我们要定位的目标。