Peter Weiss

Senior Technology Writer

1.序言

1990年年底，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)逼近伊拉克應(yīng)該從科威特撤出入侵部隊(duì)的最后期限（1991年1月份）。在沙漠風(fēng)暴行動(dòng)的前線，美國(guó)軍隊(duì)的士兵開(kāi)始要求他們的家人從家鄉(xiāng)的航海用品供應(yīng)站購(gòu)買(mǎi)商用衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，并將這些設(shè)備郵寄給身處中東的他們。幾十年來(lái)，美國(guó)軍方一直在開(kāi)發(fā)為美軍提供全球?qū)Ш綌?shù)據(jù)的衛(wèi)星星座，當(dāng)時(shí)這個(gè)星座仍然缺少約三分之一的航天器。盡管如此，仍有足夠多的衛(wèi)星繞軌運(yùn)行并傳播位置和時(shí)間數(shù)據(jù)，這可以極大地幫助聚集在阿拉伯半島及其附近的美國(guó)士兵，因?yàn)樗麄兛赡懿痪靡趩握{(diào)的沙漠地形上穿行并且戰(zhàn)斗。然而，幾乎所有人，以及他們的坦克、直升機(jī)或其他車(chē)輛，都沒(méi)有裝備能夠接收精確數(shù)據(jù)的軍用接收機(jī)。

但消息已經(jīng)傳出去了。商店里已有的性能較低的民用接收機(jī)，可以以足夠的精度測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)。因此，當(dāng)為漁民和度假的船民制作的導(dǎo)航裝備大量應(yīng)用于軍事基地、營(yíng)地和機(jī)場(chǎng)時(shí)，步兵用他們的裝備藏匿手持接收機(jī)，或者把更大的接收機(jī)固定在他們的悍馬車(chē)上（圖1），裝甲部隊(duì)的士兵將接收機(jī)安裝在坦克上，直升機(jī)飛行員將接收機(jī)安裝在駕駛艙的兩側(cè)[1,2]。

全球定位系統(tǒng)（GPS）在全部開(kāi)發(fā)完成之前就已經(jīng)十分具有價(jià)值并且應(yīng)用廣泛，這也許暗示了GPS在不久后會(huì)對(duì)人類(lèi)社會(huì)產(chǎn)生變革性的影響，并在居民生活中起到核心作用。20世紀(jì)80年代到90年代早期，在GPS星座完成的初期，歷史上第一次，世界各地?fù)碛蠫PS接收機(jī)的人，即使是在天空中翱翔、登上地球最高的山峰，或在海風(fēng)中揚(yáng)起航帆時(shí)，都可以立即知道他們?cè)谀睦?，確切的時(shí)間是什么?，F(xiàn)在，GPS衛(wèi)星在全球范圍內(nèi)每秒都會(huì)傳輸高分辨率、高精度的位置和定時(shí)數(shù)據(jù)，從而可以在世界各地進(jìn)行無(wú)數(shù)次精確導(dǎo)航、測(cè)量、車(chē)輛控制和同步操作。

GPS之所以能在現(xiàn)代工程技術(shù)成就中脫穎而出，是因?yàn)樗堑谝粋€(gè)能夠?yàn)樗惺褂脽o(wú)線電接收機(jī)的人提供簡(jiǎn)單、基本并且實(shí)用的確切位置。在人類(lèi)存在的歷史進(jìn)程中，人們始終努力尋找可靠的手段來(lái)獲得這個(gè)信息，例如，從前從景觀或海景的特征或標(biāo)記、恒星或其他天體的景象以及地圖上獲取信息，現(xiàn)在GPS已經(jīng)成為通用的、全球的、可移動(dòng)的、可靠的、高度準(zhǔn)確的技術(shù)，并且可以隨時(shí)免費(fèi)地為地球上的任何人提供想要的信息。GPS的另一個(gè)影響同樣重要，即它可在世界范圍內(nèi)發(fā)出納秒精度的時(shí)間信號(hào)，這些信號(hào)同步了大量的金融交易、通信、電力、控制信號(hào)和許多其他數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)流和測(cè)量已經(jīng)成為全球商業(yè)、電網(wǎng)、陸地、海上、空運(yùn)和海運(yùn)、軍事演習(xí)、互聯(lián)網(wǎng)交通以及許多其他活動(dòng)和服務(wù)的關(guān)鍵。

圖1.由他們的家人送到美國(guó)駐中東部隊(duì)的民用GPS接收機(jī)，如1991 年麥哲倫NAV 1000（a）和裝在軍用車(chē)輛上的Trimble Trimpack（b），在沙漠風(fēng)暴戰(zhàn)役中提供了導(dǎo)航。來(lái)源：The Science Museum (CC0)；US Army (public domain)。

本文敘述了從20世紀(jì)50年代末起GPS的發(fā)明和發(fā)展歷史，當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星斯普特尼克1號(hào)。在這次事件的推動(dòng)下，美國(guó)太空先驅(qū)進(jìn)行了一些研究，他們發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)已知太空位置的軌道衛(wèi)星進(jìn)行距離測(cè)量可以極其精確地計(jì)算觀測(cè)者在地球上的位置。在工程師、科學(xué)家和國(guó)防承包商的推動(dòng)下，起初極不情愿的美國(guó)軍方轉(zhuǎn)而開(kāi)始努力實(shí)現(xiàn)這種定位能力，并說(shuō)服美國(guó)海軍（USN）和美國(guó)空軍（USAF）開(kāi)展研發(fā)各種項(xiàng)目。這些努力推動(dòng)了世界上第一個(gè)（功能有限的）全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)射，即USN的“Transit”。GPS產(chǎn)生于USAF的一個(gè)計(jì)劃（當(dāng)時(shí)是機(jī)密的，后來(lái)被解密了），該計(jì)劃在先前的Transit和其他項(xiàng)目的進(jìn)展上進(jìn)行了擴(kuò)充，但也在測(cè)距和通信信號(hào)、太空原子鐘、衛(wèi)星軌道預(yù)測(cè)、航天器壽命和用戶(hù)接收機(jī)方面進(jìn)行了關(guān)鍵性的創(chuàng)新。

1991年的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)證明了GPS的軍事價(jià)值，此后GPS作為一個(gè)由24顆衛(wèi)星加上零部件組成的星座于1995年開(kāi)始全面運(yùn)行。25年之后，又有三個(gè)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）加入了太空GPS，其中一個(gè)在去年（2020年）開(kāi)始全面運(yùn)行，第二個(gè)預(yù)計(jì)在2022年全面運(yùn)行，所有這些系統(tǒng)都以GPS為模式，能夠提供相同的基本服務(wù)。自20世紀(jì)80年代初以來(lái)，GPS在支持和維持普適的變革性技術(shù)方面持續(xù)發(fā)揮主導(dǎo)作用，其在航海、交通、通信、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、科學(xué)、金融以及與現(xiàn)代社會(huì)相關(guān)的每個(gè)方面都推動(dòng)了民用應(yīng)用的激增[3]。與它的姐妹星座一起，這一工程成就進(jìn)一步為目前新興的技術(shù)提供了必要的基礎(chǔ)，比如5G（使用GNSS信號(hào)），并可能是想象不到的其他重大創(chuàng)新的重要前提。

2.項(xiàng)目概況

2.1.協(xié)調(diào)人類(lèi)生活

截至2021年1月，目前組成GPS的官方31顆運(yùn)行衛(wèi)星（比標(biāo)稱(chēng)的24顆最小星座多7顆，還有額外的“退役”衛(wèi)星可以重新啟動(dòng)）在20 200 km的高度（圖2）連續(xù)環(huán)繞地球，并將其無(wú)線電信號(hào)發(fā)送到地表[4]。在那里，世界各地?cái)?shù)十億的接收者通過(guò)手機(jī)和許多其他設(shè)備可以鎖定來(lái)自GPS衛(wèi)星的信號(hào)，以及來(lái)自俄羅斯、中國(guó)和歐盟（EU）等姐妹導(dǎo)航星座的越來(lái)越多的信號(hào)。GNSS泛指任何一個(gè)覆蓋整個(gè)地球的系統(tǒng)。印度和日本部署了區(qū)域系統(tǒng)，以補(bǔ)充GNSS網(wǎng)絡(luò)提供的覆蓋范圍。所有這些系統(tǒng)共同構(gòu)成了世界衛(wèi)星定位、導(dǎo)航和時(shí)間（PNT）基礎(chǔ)設(shè)施。

這些PNT衛(wèi)星提供的數(shù)據(jù)可供室外幾乎任何地方和室內(nèi)輕度屏蔽位置的無(wú)線電接收機(jī)訪問(wèn)，這有助于確保無(wú)數(shù)關(guān)鍵的計(jì)算機(jī)化工具的正確操作[2]。手機(jī)和個(gè)人電腦需要使用谷歌地圖或Waze的位置數(shù)據(jù)，以及協(xié)調(diào)微博、Facebook、TikTok和其他娛樂(lè)、電子支付、社交媒體、游戲、銀行等應(yīng)用程序以及無(wú)數(shù)網(wǎng)站、電話運(yùn)營(yíng)商和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的時(shí)間數(shù)據(jù)。除了指導(dǎo)和監(jiān)控汽車(chē)司機(jī)、卡車(chē)車(chē)隊(duì)、飛機(jī)飛行員和船長(zhǎng)外，該系統(tǒng)還可以在全世界持續(xù)同步、發(fā)送和實(shí)時(shí)追蹤（根據(jù)需要）數(shù)十億的日常數(shù)據(jù)傳輸。如果沒(méi)有PNT信號(hào)，金融交易、電網(wǎng)電流的分布、移動(dòng)電話以及大量由數(shù)字驅(qū)動(dòng)的其他人類(lèi)活動(dòng)就不可能正常進(jìn)行。此外，該系統(tǒng)能在軍事上起到作用，武裝部隊(duì)依靠PNT信號(hào)來(lái)協(xié)調(diào)士兵和武器，精確瞄準(zhǔn)火炮、炸彈和導(dǎo)彈發(fā)射，以及營(yíng)救被擊落的戰(zhàn)友。總的來(lái)說(shuō)，GPS和其他GNSS數(shù)據(jù)的可用性（不間斷、即時(shí)、免費(fèi)、準(zhǔn)確、可靠、普適）已經(jīng)成為地球上近80 億人口中大約一半人的日常生活基礎(chǔ)[5]。

圖2.24顆（最?。〨PS衛(wèi)星追蹤軌道設(shè)計(jì)在地球周?chē)臻g和時(shí)間上均勻分布，以確保從地球上任何地方任何時(shí)間都能同時(shí)觀測(cè)4個(gè)或更多的航天器。該系統(tǒng)在全球傳輸位置和定時(shí)數(shù)據(jù)，從而能夠使精確測(cè)量位置和納秒同步。自1995年以來(lái)，GPS是第一個(gè)提供這些功能的GNSS；如今，另外三個(gè)以GPS為模型的GNSS加入太空。來(lái)源：National Air and Space Museum, Smithsonian Institution (public domain)。

“所有這些都使GPS成為一項(xiàng)革命性的技術(shù)”，退役的美國(guó)空軍上校Bradford W.Parkinson博士說(shuō)，他領(lǐng)導(dǎo)了第一個(gè)6年（1972—1978年）的GPS項(xiàng)目。在此期間，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得具體化，Parkinson和他的同事們開(kāi)始建造和發(fā)射現(xiàn)有系統(tǒng)的衛(wèi)星。本文主要參考Parkinson的研究，他將GPS技術(shù)描述為“隱形的”，以此形容它是如何安靜地促成和推動(dòng)了如此巨大的變化。在人類(lèi)歷史的大部分時(shí)間里，我們很難準(zhǔn)確地知道我們?cè)谀睦?，現(xiàn)在是什么時(shí)候?！暗F(xiàn)在我們只要拿出手機(jī)，馬上就能知道我們?cè)谀睦铮盤(pán)arkinson說(shuō)，“不過(guò)，總的來(lái)說(shuō)，大多數(shù)人都不知道GPS是如何工作的?！?/p>

2.2.開(kāi)創(chuàng)性

鑒于GPS是幾十年來(lái)的第一個(gè)GNSS，也是唯一實(shí)現(xiàn)和支持當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)沉浸式世界的PNT基礎(chǔ)設(shè)施，它是最重要的現(xiàn)代工程成就之一。2003年，美國(guó)國(guó)家工程學(xué)院（NAE）將查爾斯·斯塔克·德雷珀獎(jiǎng)（該獎(jiǎng)被許多工程界人士認(rèn)為是該領(lǐng)域的諾貝爾獎(jiǎng)）授予Parkinson和該開(kāi)創(chuàng)性系統(tǒng)的倡導(dǎo)者、航空航天公司（Aerospace Corporation）已故前總裁伊萬(wàn)·格特，該公司作為國(guó)防承包商密切地參與了GPS的發(fā)明和發(fā)展[6]。這一開(kāi)創(chuàng)性的技術(shù)以及數(shù)百名工程師和其他參與開(kāi)發(fā)的人也共同獲得了許多其他榮譽(yù)。

這些榮譽(yù)大多是因?yàn)镚PS是一項(xiàng)重大工程成就而取得的，并沒(méi)有與發(fā)明者的動(dòng)機(jī)和夢(mèng)想、他們研究過(guò)程中克服的困難和挑戰(zhàn)，以及他們克服這些障礙的方法有關(guān)。這些榮譽(yù)是明智的事后反應(yīng)，不同于從20世紀(jì)60 年代初到1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中首次廣泛使用GPS時(shí)的懷疑和不感興趣。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的想法起源于軍方：USN和馬里蘭州巴爾的摩市附近的約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用光學(xué)實(shí)驗(yàn)室（JHUAPL）設(shè)計(jì)并建造了第一個(gè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)Transit。雖然其能力受到某些原因的限制，但Transit還是取得了巨大的成功。盡管如此，GPS作為比Transit更快、更準(zhǔn)確、更普及、更通用的系統(tǒng)，其最終實(shí)現(xiàn)的可行性和軍事價(jià)值在美軍領(lǐng)導(dǎo)人的觀念中幾乎不存在。在第一個(gè)GPS星座的幾乎整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，軍事指揮官基本上將這項(xiàng)技術(shù)視為對(duì)其預(yù)算的一種不必要的、不受歡迎的競(jìng)爭(zhēng)。Parkinson說(shuō)：“如果讓空軍自己動(dòng)手，這個(gè)項(xiàng)目就會(huì)因?yàn)槿狈︻A(yù)算而終止?！?/p>

面對(duì)阿波羅計(jì)劃十年及之后的政治挑戰(zhàn)，人們對(duì)太空時(shí)代的興奮和好奇聚焦于月球上，一群有遠(yuǎn)見(jiàn)的工程師為實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)未經(jīng)驗(yàn)證的太空技術(shù)邁出了第一步。在這一過(guò)程中，他們?nèi)〉昧嗽S多重要的技術(shù)進(jìn)步，從將系統(tǒng)所有衛(wèi)星的信息編碼到單個(gè)射頻載波的方案中，到開(kāi)發(fā)世界上第一個(gè)能抵抗輻射和溫度變化的微型原子鐘。這些和其他進(jìn)步最終導(dǎo)致了一場(chǎng)隱形的革命，這些技術(shù)很容易被認(rèn)為是理所應(yīng)當(dāng)?shù)?，但卻是我們?nèi)找鎸?shí)現(xiàn)數(shù)字化世界的關(guān)鍵所在。

2.3.兩個(gè)“火花”

在1957年秋天，兩個(gè)“火花”在無(wú)意中同時(shí)點(diǎn)燃了其發(fā)明者和建設(shè)者對(duì)GPS目標(biāo)的追求。其中之一是世界上第一顆人造衛(wèi)星（蘇聯(lián)的斯普特尼克1號(hào)）的發(fā)射，它開(kāi)啟了太空時(shí)代。另一個(gè)是在JHUAPL的非正式實(shí)驗(yàn)，其靈感來(lái)自蘇聯(lián)航天器（圖3）。

斯普特尼克1號(hào)于1957年10月4日星期五發(fā)射進(jìn)入軌道。到接下來(lái)的星期一，兩位年輕的JHUAPL物理學(xué)家William Guier 和 George Weiffenbach用一個(gè)臨時(shí)的接收機(jī)裝置接收了衛(wèi)星的無(wú)線電信號(hào)。當(dāng)衛(wèi)星接近時(shí)，他們開(kāi)始測(cè)量其20 MHz和40 MHz無(wú)線電傳輸脈沖的多普勒頻移，然后衛(wèi)星從他們身邊遠(yuǎn)離，每一次都高高越過(guò)頭頂。他們發(fā)現(xiàn)自己可以粗略地從這些移動(dòng)中測(cè)量航天器的速度和其他軌道信息，這類(lèi)似于交警通過(guò)雷達(dá)槍測(cè)量從車(chē)輛反射回來(lái)的光束頻率的變化，來(lái)測(cè)量經(jīng)過(guò)車(chē)輛的速度。在接下來(lái)的幾個(gè)月里，JHUAPL的研究人員和其他機(jī)構(gòu)的同事致力于完善他們對(duì)斯普特尼克1號(hào)軌道路徑的估測(cè)。

隨著他們對(duì)軌道的估測(cè)越來(lái)越精確，實(shí)驗(yàn)室主任Frank McClure提出了一個(gè)問(wèn)題，該問(wèn)題改變了這個(gè)即興項(xiàng)目的研究方向。他想知道，假設(shè)對(duì)斯普特尼克軌道的估測(cè)是正確的，那么科學(xué)家根據(jù)其對(duì)該軌道的了解以及航天器與自身之間的信號(hào)頻率來(lái)計(jì)算出他們自己在地球上的位置的準(zhǔn)確度有多高。“第一次模擬顯示了很高的準(zhǔn)確性，這是難以置信的準(zhǔn)確性！”Guier和Weiffenbach在幾年后的回憶中說(shuō)道[7]。McClure的問(wèn)題指明了GPS背后的本質(zhì)含義：在太空中繞軌道運(yùn)行的人造物體可以用來(lái)精確定位地球上的位置。

2.4.Transit衛(wèi)星

McClure提出的問(wèn)題不僅僅是出于求知欲。USN當(dāng)時(shí)正在為其擁有核武器的北極星艦隊(duì)中的潛艇尋找一種可靠的方法，以精確定位它們的地理位置。當(dāng)McClure和數(shù)學(xué)家Richard Kershner得知Guier和Weiffenbach的精確結(jié)果時(shí)，他們將McClure的頭腦風(fēng)暴轉(zhuǎn)化為世界上第一個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星陣列的設(shè)計(jì)。隨后，Kershner在JHUAPL成立了一個(gè)新的航天部門(mén)，為USN制作原型，測(cè)試并建造了名為T(mén)ransit的系統(tǒng)。當(dāng)完全運(yùn)行時(shí)，5～8顆衛(wèi)星和備用衛(wèi)星均在跨極地軌道上，提供全球覆蓋系統(tǒng)（圖4）。Transit于1964年投入運(yùn)營(yíng)，幾年后，JHUAPL將最后一批生產(chǎn)Transit衛(wèi)星的制造工作移交給了美國(guó)無(wú)線電公司。

利用Transit，一艘位于水面的潛艇能夠以比當(dāng)時(shí)領(lǐng)先的地面無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)（如Loran）更高的精度來(lái)定位。Transit定位是利用一顆衛(wèi)星進(jìn)行多普勒測(cè)量得出，需要等待10～16 min，直到該星座的一顆衛(wèi)星能夠在潛艇位置的視野范圍內(nèi)被探測(cè)到。Transit具有一定的局限性，它只提供了兩個(gè)維度的坐標(biāo)，沒(méi)有高度信息，此外，除非用戶(hù)的速度被精確指定，否則它可能會(huì)嚴(yán)重錯(cuò)誤地定位移動(dòng)的用戶(hù)。盡管如此，該系統(tǒng)能在世界各地海洋的任意地點(diǎn)提供25m的定位，這在當(dāng)時(shí)是非常準(zhǔn)確的。從1967年到1996年，它成功地為USN船只和民用用戶(hù)提供導(dǎo)航幫助。

1962年左右，當(dāng)USN和JHUAPL正在創(chuàng)建Transit時(shí)，美國(guó)空軍啟動(dòng)了一個(gè)名為“621B”的秘密項(xiàng)目，旨在研究和測(cè)試一個(gè)以東南亞為中心的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的概念。這個(gè)項(xiàng)目引起了一場(chǎng)軍種間的競(jìng)爭(zhēng)，阻止了GPS多年的發(fā)展。美國(guó)空軍設(shè)想了一個(gè)比Transit更有能力的系統(tǒng)，它可以提供三維的、精確到幾米的瞬時(shí)定位。下一代系統(tǒng)還將提供同步到30 ns內(nèi)的全球時(shí)間測(cè)量。這一增強(qiáng)的性能將使超聲速軍用噴氣式飛機(jī)的快速、反復(fù)、途中定位變得可行，以指導(dǎo)在越南的精確空襲和其他行動(dòng)，因?yàn)槊绹?guó)在越南的軍事參與愈加深入。雖然該系統(tǒng)最初的目的是只提供東南亞地球同步軌道衛(wèi)星的區(qū)域覆蓋范圍，但其規(guī)劃者也認(rèn)為，它是邁向全球衛(wèi)星導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)的第一步（該網(wǎng)絡(luò)最終在30多年后由GPS實(shí)現(xiàn)）。

圖3.（a）人造衛(wèi)星1號(hào)的復(fù)制品展示了四個(gè)后掠天線，使蘇聯(lián)的先驅(qū)航天器（世界上第一顆人造衛(wèi)星）在1957年10月發(fā)射后，能夠向幾乎所有的地球人居區(qū)域發(fā)射射頻脈沖。（b）右邊的模型顯示了衛(wèi)星的內(nèi)部，它以約29 000 km·h–1（8100 m·s–1）的速度飛行，每96 min完整走過(guò)一次軌道。該衛(wèi)星在太空運(yùn)行21 d后電池耗盡，無(wú)線電脈沖停止發(fā)射。在軌道上運(yùn)行三個(gè)月后，斯普特尼克1號(hào)于1958年1月4日重返地球大氣層時(shí)被燒毀。來(lái)源：National Aeronautics and Space Administration (NASA; pubic domain); Wikimedia Commons (CC0 1.0)。

從20世紀(jì)60年代初開(kāi)始，航空航天公司的Ivan Getting提出了一種更快、更復(fù)雜的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的概念，該系統(tǒng)可以為用戶(hù)提供五角大樓高級(jí)官員的三維定位。在美國(guó)空軍的資助下，航空航天公司為621B項(xiàng)目進(jìn)行了大約90項(xiàng)探索性衛(wèi)星導(dǎo)航研究，包括公司兩位頂級(jí)太空系統(tǒng)工程師James Woodford和Hideyoshi Nakamura在1964—1966年間的分析[8]。在這項(xiàng)非保密的工作中，James Woodford和Hideyoshi Nakamura探索了十幾個(gè)不同的系統(tǒng)概念，包括通信類(lèi)型、計(jì)時(shí)和計(jì)算設(shè)備，以及衛(wèi)星、用戶(hù)和地面站可能使用的方法。

當(dāng)時(shí)還不清楚該系統(tǒng)的衛(wèi)星及其用戶(hù)是否都需要原子鐘，原子鐘又大又重，而且價(jià)格十分昂貴。然而，在James Woodford 和Hideyoshi Nakamura的試驗(yàn)最好的場(chǎng)景中，通信只能從衛(wèi)星到用戶(hù)，利用智能計(jì)算機(jī)，衛(wèi)星的數(shù)量和分布足以讓每一個(gè)用戶(hù)始終同時(shí)看到至少四顆衛(wèi)星。要使這種全天候的“四視”（four-inview）條件在全球范圍內(nèi)應(yīng)用，至少需要有24顆衛(wèi)星連續(xù)運(yùn)行。只有位于美國(guó)領(lǐng)土的主控站才能向航天器發(fā)送任何信號(hào)，如用于衛(wèi)星位置和時(shí)間校準(zhǔn)的信號(hào)。

工程師們的工作表明，如果這樣一個(gè)系統(tǒng)被證明可行，那么回報(bào)可能會(huì)很大。首先，用戶(hù)的接收機(jī)可以在幾乎任何時(shí)間或地點(diǎn)，立即從衛(wèi)星的連續(xù)傳播中提取到所需的四顆衛(wèi)星（或更多的衛(wèi)星，以提高精度）的確切時(shí)間和同步距離。這將是用戶(hù)計(jì)算精確的三維位置所需的唯一信息（圖5）。其次，該系統(tǒng)將只服務(wù)于“被動(dòng)”用戶(hù)，這些用戶(hù)在設(shè)計(jì)上不需要傳輸任何可能導(dǎo)致敵人找到他們的電磁信號(hào)。這樣一個(gè)系統(tǒng)可以為所有軍事資產(chǎn)（包括作戰(zhàn)士兵、巡邏艇和戰(zhàn)術(shù)轟炸機(jī)）提供全天候的無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的位置和時(shí)間信息。當(dāng)所有用戶(hù)都是被動(dòng)的，同時(shí)用戶(hù)數(shù)量變?yōu)闊o(wú)限大時(shí)，所有人都可以使用該服務(wù)。

圖4.利用插圖描繪了USN的Transit導(dǎo)航系統(tǒng)中的前兩顆衛(wèi)星——1-B（a）和2-A（b），后者的頂部搭載了美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的一顆衛(wèi)星進(jìn)入太空；第三顆衛(wèi)星3-A（c）在1960年11月29日發(fā)射后以800 km的高度環(huán)繞地球運(yùn)行。這顆0.91 m高、大約90 kg重的3-A型衛(wèi)星搭載的衛(wèi)星與2-A型衛(wèi)星搭載的衛(wèi)星類(lèi)似。來(lái)源：Roger Simmons, National Archives (pubic domain)。

最后，Woodford和Nakamura得出結(jié)論，雖然衛(wèi)星需要配備原子鐘（或從地面獲取的準(zhǔn)確時(shí)間）才能達(dá)到所需的定時(shí)和定位精度，但用戶(hù)的接收機(jī)并不需要先進(jìn)、笨重和昂貴的計(jì)時(shí)設(shè)備。得益于四視圖衛(wèi)星，地面儀器可以確定位置和準(zhǔn)確的時(shí)間，且其計(jì)時(shí)器不會(huì)比在數(shù)字電子設(shè)備中廣泛使用的小型、廉價(jià)的石英鐘更復(fù)雜 [9]。

2.5.技術(shù)障礙

在JHUAPL的Transit系統(tǒng)全面啟動(dòng)后，華盛頓特區(qū)附近的另一個(gè)美國(guó)軍事研究和開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)——美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）——的工程師和科學(xué)家由物理學(xué)家Roger L.Easton領(lǐng)導(dǎo)開(kāi)始建造和測(cè)試天基導(dǎo)航系統(tǒng)的原型衛(wèi)星，旨在超越Transit。除了精確的定位，被稱(chēng)為T(mén)imation的NRL概念旨在為用戶(hù)提供精確的通用時(shí)間。據(jù)Parkinson說(shuō)，NRL的工作人員可能不知道仍然保密的美國(guó)空軍621B項(xiàng)目的細(xì)節(jié)，該計(jì)劃也打算提供一個(gè)高精度、可重復(fù)的時(shí)間信號(hào)。雖然NRL和621B的概念在關(guān)鍵方面有所不同，但這兩個(gè)概念也有很大的共通之處。

圖5.GPS導(dǎo)航是如何工作的？手持接收機(jī)（右下角）追蹤來(lái)自至少四顆衛(wèi)星信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，以確定其與這些衛(wèi)星的距離。將這些距離計(jì)算與衛(wèi)星所傳播的精確的衛(wèi)星位置和定時(shí)校正信息結(jié)合起來(lái)，使用戶(hù)設(shè)備能夠計(jì)算其在地球上的位置。該系統(tǒng)包括觀測(cè)衛(wèi)星軌道的跟蹤站，為向星座發(fā)送必要更新和校正的指揮中心收集數(shù)據(jù)。這些更新和校正確保每顆衛(wèi)星傳播精確的系統(tǒng)時(shí)間和經(jīng)核實(shí)的觀測(cè)、軌道位置，保證它們作為空間參考點(diǎn)，以便在地面上精準(zhǔn)地確定用戶(hù)位置。Schriever AFB：史瑞弗空軍基地。來(lái)源：Bruce Morser, National Air and Space Museum, Smithsonian Institution (public domain)。

到1969年，NRL為評(píng)估Timation建造并發(fā)射的一系列測(cè)試衛(wèi)星中的第二顆已經(jīng)為固定（非移動(dòng)）位置的用戶(hù)展示了約60 m的位置精度，該精確度很高，但沒(méi)有超過(guò)Transit的精度。與此同時(shí)，美國(guó)空軍在1972年任命了一名621B專(zhuān)業(yè)項(xiàng)目的新負(fù)責(zé)人：Bradford Parkinson。當(dāng)時(shí)，Parkinson是一位年輕的上校，負(fù)責(zé)美國(guó)空軍彈道導(dǎo)彈再入計(jì)劃的工程設(shè)計(jì)，他的資歷引起了一位想支持陷入困境的621B項(xiàng)目的將軍的關(guān)注。Parkinson曾在越南執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)，畢業(yè)于斯坦福大學(xué)，獲得航天工程博士學(xué)位，并擔(dān)任美國(guó)空軍學(xué)院航天系主任。在擔(dān)任再入計(jì)劃的工程負(fù)責(zé)人之前，他在慣性導(dǎo)航方面工作了三年，并在麻省理工學(xué)院的德雷珀博士 （與NAE的德雷珀獎(jiǎng)同名）實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)了兩年的慣性導(dǎo)航，德雷珀博士成功發(fā)明了第一個(gè)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

作為621B項(xiàng)目的新領(lǐng)導(dǎo)，Parkinson招募了大約25名擁有高級(jí)工程學(xué)位和工作經(jīng)驗(yàn)的美國(guó)空軍軍官，以此提高了完成該項(xiàng)目的能力。在討論其項(xiàng)目的全球?qū)Ш礁拍畹膹?fù)雜技術(shù)過(guò)程中，Parkinson很快與物理學(xué)家Malcolm Currie博士結(jié)下不解之緣，后者是五角大樓新任命的高級(jí)文職人員。這是GPS思想的奇遇。Currie離開(kāi)休斯飛機(jī)公司，成為國(guó)防研究和工程總監(jiān)，這是美國(guó)國(guó)防部中第三大的職位?！拔医兴谈福盤(pán)arkinson說(shuō)，“如果五角大樓出了什么問(wèn)題，他會(huì)盡力為我們解決的?！?/p>

盡管美國(guó)空軍和海軍的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致了美國(guó)軍方高層幾年未能決定發(fā)展何種項(xiàng)目，但1973年12月，由Currie主持的一個(gè)由各軍種高級(jí)軍官組成的委員會(huì)批準(zhǔn)了一個(gè)價(jià)值1.5億美元、由四顆衛(wèi)星組成的621B概念的原理驗(yàn)證演示。作為Currie當(dāng)時(shí)設(shè)想的新的合作安排的一部分，衛(wèi)星導(dǎo)航工作成為DoD中第一個(gè)聯(lián)合軍種發(fā)展項(xiàng)目。該委員會(huì)設(shè)立了GPS聯(lián)合項(xiàng)目辦公室（JPO），其在Parkinson的領(lǐng)導(dǎo)下由美國(guó)空軍運(yùn)作，將美國(guó)海軍的衛(wèi)星導(dǎo)航行動(dòng)計(jì)劃置于其管轄之下。來(lái)自其他軍事部門(mén)的官員（包括海軍、陸軍、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)和國(guó)防測(cè)繪局）作為副項(xiàng)目經(jīng)理分擔(dān)項(xiàng)目的管理。

為了設(shè)計(jì)、建造、發(fā)射和驗(yàn)證其未完全發(fā)展的四顆衛(wèi)星演示系統(tǒng)（1979年完成），JPO面臨著數(shù)十個(gè)技術(shù)障礙，該系統(tǒng)最終成為一個(gè)擁有地面站和基本用戶(hù)設(shè)備的功能齊全的全球星座（1995年完成）。在開(kāi)始進(jìn)行這些努力的時(shí)候，衛(wèi)星和火箭還處于起步階段，計(jì)算機(jī)和其他電子設(shè)備都過(guò)于笨重、緩慢且耗電，而原子鐘都太大、太脆弱，無(wú)法飛入太空。為了克服需要解決的技術(shù)障礙，五項(xiàng)工程的進(jìn)展成為GPS成功的關(guān)鍵：①?gòu)男l(wèi)星到地面用戶(hù)接收機(jī)的準(zhǔn)確可靠的測(cè)距信號(hào)；②太空適用的原子鐘；③穩(wěn)健、使用期長(zhǎng)的衛(wèi)星；④衛(wèi)星軌道的精確預(yù)測(cè)；⑤實(shí)際的用戶(hù)接收設(shè)備[10]。

3.突出的技術(shù)和創(chuàng)新

3.1.數(shù)據(jù)傳輸

在所有的技術(shù)進(jìn)步中，GPS先驅(qū)普遍認(rèn)為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)創(chuàng)性的測(cè)距信號(hào)能在系統(tǒng)完成后25年保持不變，是對(duì)GPS的成功實(shí)施及整體性能、多功能性和有效性的最大貢獻(xiàn)。Woodford和Nakamura為他們的評(píng)估奠定了基礎(chǔ)，即四視星座的被動(dòng)用戶(hù)不需要龐大、昂貴的原子鐘。這個(gè)概念要求每顆衛(wèi)星不僅傳輸自己的軌道信息和位置坐標(biāo)，還傳輸系統(tǒng)時(shí)間、航天器的發(fā)射機(jī)狀態(tài)、電離層延遲模型，甚至是星座中所有其他運(yùn)行的姐妹衛(wèi)星的軌道和位置細(xì)節(jié)等。

然而，連續(xù)傳播只能以微弱的數(shù)據(jù)速率傳輸所有信息，以確保有足夠的功率用于關(guān)鍵測(cè)距信號(hào)。由于GPS預(yù)算有限，JPO最初選擇使用翻新的洲際彈道導(dǎo)彈進(jìn)行衛(wèi)星發(fā)射，這節(jié)省了數(shù)百萬(wàn)美元。那些成本相對(duì)較低的Atlas-F助推器的推力能力限制了每個(gè)衛(wèi)星的發(fā)射重量，因此也限制了其太陽(yáng)電池陣的大小，并最終限制了可用的發(fā)射機(jī)功率。GPS開(kāi)發(fā)人員只能為地球提供可靠的一億億分之一瓦特的信號(hào)強(qiáng)度。因此，該系統(tǒng)的規(guī)格保證接收機(jī)的功率不超過(guò)10–16W，而衛(wèi)星利用其有限的功率，以每秒50 bits的速度傳輸數(shù)據(jù)。

每顆GPS衛(wèi)星將通過(guò)調(diào)制兩個(gè)高頻載波信號(hào)（1.2276 GHz和1.57542 GHz）向用戶(hù)連續(xù)傳輸其信息。早期Transit系統(tǒng)的JHUAPL設(shè)計(jì)者和建造者率先使用了這種“雙頻率”方法，以直接測(cè)量通過(guò)電離層的衛(wèi)星信號(hào)的頻率相關(guān)延遲?！靶疫\(yùn)的是，延遲與載波信號(hào)頻率的平方成反比，”科羅拉多大學(xué)博爾德分校的GNSS專(zhuān)家、航空航天工程科學(xué)教授Penny Axelrad說(shuō)，“通過(guò)在兩個(gè)或三個(gè)不同頻率上接收信號(hào)，GPS接收機(jī)可以很容易地糾正這種效應(yīng)。”當(dāng)今智能手機(jī)中廉價(jià)的GPS芯片也可以執(zhí)行類(lèi)似的解決方案。以更多的頻率發(fā)射會(huì)消耗衛(wèi)星寶貴的能量，但這項(xiàng)技術(shù)支持獨(dú)立的測(cè)距信號(hào)，并使用戶(hù)能夠有效、精確地計(jì)算到星座衛(wèi)星的距離，從而非常精確地定位。

在20世紀(jì)60年代末和70年代，電子電路正從模擬電子技術(shù)向低功耗、緊湊、長(zhǎng)壽命的數(shù)字組件過(guò)渡，最終演變?yōu)榻裉斓募呻娐?，使?jì)算得到了巨大的改進(jìn)。由數(shù)學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家在內(nèi)的創(chuàng)新團(tuán)體發(fā)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)的新處理能力，并將其應(yīng)用于通信、傳感、控制系統(tǒng)和其他領(lǐng)域。在621B計(jì)劃的范圍內(nèi)，當(dāng)最初的四顆衛(wèi)星演示獲得批準(zhǔn)時(shí)，這些無(wú)線電測(cè)距技術(shù)的硬件演示模擬已經(jīng)在新墨西哥沙漠進(jìn)行（下文將進(jìn)一步說(shuō)明）。

為了滿足不斷發(fā)展的GPS的工作需求，來(lái)自行業(yè)的內(nèi)部工程師和數(shù)字信號(hào)處理專(zhuān)家開(kāi)始專(zhuān)注于一種被稱(chēng)為碼分多址（CDMA）的通信協(xié)議。通過(guò)為每個(gè)衛(wèi)星分配一個(gè)不同的代碼，CDMA協(xié)議使所有衛(wèi)星能夠在相同的頻率上傳播，而不會(huì)造成相互干擾或數(shù)據(jù)丟失。同時(shí)，所有的用戶(hù)接收機(jī)都可以通過(guò)準(zhǔn)確地測(cè)量四顆或更多顆衛(wèi)星的到達(dá)時(shí)間，進(jìn)行同步測(cè)距。

在1971—1973年新墨西哥州白沙導(dǎo)彈靶場(chǎng)進(jìn)行的基于CDMA的方案的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，621B項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)部署了兩種由電子工業(yè)公司建造的CDMA接收機(jī)。這些接收機(jī)檢測(cè)到并處理了來(lái)自四個(gè)“偽衛(wèi)星”的信號(hào)，這些“偽衛(wèi)星”是模擬GPS衛(wèi)星傳播的地面發(fā)射機(jī)。然后，工程師將計(jì)算出的位置與激光器測(cè)量?jī)x器的實(shí)際位置進(jìn)行了比較。在三個(gè)維度上，計(jì)算出的位置和激光精確定位的位置都在5 m以?xún)?nèi)（圓概率誤差）。這些發(fā)現(xiàn)使四顆衛(wèi)星演示獲得了批準(zhǔn)，解決了五角大樓一些人的疑慮，并證實(shí)了一個(gè)由真正的四顆衛(wèi)星組成的全球系統(tǒng)是可行的，該系統(tǒng)具有四視圖可訪問(wèn)性和CDMA，能夠提供JPO所聲稱(chēng)的位置準(zhǔn)確度。

3.2.沿軌道運(yùn)行的原子鐘

20世紀(jì)70年代末，該項(xiàng)目的工程師已經(jīng)開(kāi)始為關(guān)鍵的四顆衛(wèi)星測(cè)試做準(zhǔn)備，但GPS所需的時(shí)鐘技術(shù)還未實(shí)現(xiàn)。雖然四視衛(wèi)星條件消除了在每個(gè)GPS接收機(jī)中安裝原子鐘的需要，但這種好處是有代價(jià)的。整個(gè)星座需要將它的信號(hào)同步到納秒級(jí)（十億分之一秒）。雖然這可以通過(guò)GPS地面控制網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但更好的解決方案是在每個(gè)GPS衛(wèi)星上安裝非常穩(wěn)定的“飛輪”（flywheel）時(shí)鐘，并每天進(jìn)行一次或兩次校準(zhǔn)。

在20世紀(jì)50年代首次開(kāi)發(fā)使用銫原子束的商業(yè)原子鐘可以滿足GPS的計(jì)時(shí)規(guī)范。遺憾的是，太空飛行的溫度波動(dòng)會(huì)損害這些為實(shí)驗(yàn)室使用而建造的時(shí)鐘的準(zhǔn)確性。此外，GPS軌道區(qū)域的強(qiáng)烈電離層輻射將會(huì)在不到1 min內(nèi)殺死沒(méi)有保護(hù)的人類(lèi)，也會(huì)迅速摧毀時(shí)鐘。而且，這些復(fù)雜的儀器會(huì)占用太多的空間，且重量太大，無(wú)法滿足衛(wèi)星的體積和重量要求。所以GPS需要更小的時(shí)鐘，并且不受極端太空環(huán)境的影響。

Woodford和Nakamura 1966年的報(bào)告鼓勵(lì)美國(guó)空軍發(fā)起一個(gè)完成上述目標(biāo)的開(kāi)發(fā)計(jì)劃，而在USN的Easton小組已經(jīng)開(kāi)始了這項(xiàng)工作。在測(cè)試衛(wèi)星上，NRL評(píng)估位置精度和估算系統(tǒng)的其他方面，該實(shí)驗(yàn)室包括簡(jiǎn)單石英鐘的實(shí)驗(yàn)：德國(guó)慕尼黑的小公司Efratom Elektronik（后來(lái)在加利福尼亞開(kāi)設(shè)了辦事處）制造的新型小型銣鐘實(shí)驗(yàn)；馬薩諸塞州丹佛斯的小型承包商Frequency and Time Systems（FTS）公司制作的緊湊型銫鐘（圖6）。

圖6.（a）由德國(guó)Efratom Elektronik公司與Rockwell國(guó)際公司合作設(shè)計(jì)制造的輕型、緊湊、低功率的銣鐘，使第一個(gè)四衛(wèi)星GPS示范項(xiàng)目取得了里程碑式的發(fā)展。（b）第一個(gè)五衛(wèi)星GPS攜帶了這樣一個(gè)緊湊的、太空加固的銫鐘，由Danvers、MA、承包商Frequency and Time Systems公司建造。來(lái)源：Dane A.Penland，National Air and Space Museum, Smithsonian Institution (public domain)。

NRL于1967年開(kāi)始了長(zhǎng)達(dá)十年的太空時(shí)鐘試驗(yàn)，衛(wèi)星三維方向（姿態(tài)）的不穩(wěn)定性始終困擾著測(cè)試。這些問(wèn)題包括：變化在哪里；從什么角度變化；什么時(shí)候陽(yáng)光會(huì)最強(qiáng)烈地照射航天器，使內(nèi)部溫度變化，導(dǎo)致石英鐘即使在有了機(jī)載溫度補(bǔ)償?shù)那闆r下頻率也會(huì)發(fā)生變化。這些試驗(yàn)結(jié)果表明，簡(jiǎn)單的石英設(shè)備不能夠滿足GPS的要求。同時(shí)，原子鐘還沒(méi)有為應(yīng)對(duì)溫度、輻射或機(jī)械應(yīng)力的極端情況進(jìn)行加固，這些不穩(wěn)定的條件使試驗(yàn)沒(méi)有結(jié)果。

當(dāng)時(shí)由一個(gè)大公司制造的典型銣鐘高約30 cm，寬48 cm，安裝在工業(yè)電子機(jī)架上。相反，Efratom公司制造的重量輕、緊湊、低功率的銣鐘被固定在一個(gè)邊長(zhǎng)10 cm的立方體中，它封裝了銣原子和其他氣體的蒸氣作為其定時(shí)源。到1974年，NRL在對(duì)一對(duì)銣鐘進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估得出了不明確的結(jié)果時(shí)，四顆衛(wèi)星示范項(xiàng)目已經(jīng)獲得批準(zhǔn)，JPO已聘請(qǐng)加利福尼亞州錫爾比奇的Rockwell國(guó)際公司建造了第一顆GPS衛(wèi)星。隨著1978 年發(fā)射日期的確定，Rockwell直接與Efratom合作，生產(chǎn)銣鐘的太空加固版本。與此同時(shí)，F(xiàn)TS正在開(kāi)發(fā)一種經(jīng)過(guò)太空加固的銫束鐘原型，1977 年NRL將其放在所發(fā)射的另一顆衛(wèi)星上進(jìn)行了測(cè)試，但結(jié)果也不確定，到其電源在評(píng)估12 h后耗盡過(guò)程中，只有一個(gè)時(shí)鐘良好工作。

盡管如此，微型的、太空加固的、Efratom/Rockwell銣鐘滿足了穩(wěn)定性和穩(wěn)健性的要求，使得第一個(gè)四衛(wèi)星GPS示范項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了里程碑式的發(fā)展?！霸隅姡粋€(gè)小小的原子鐘，就像GPS一樣，是一個(gè)改變世界的大鐘”，Hugo Fruehauf說(shuō)道，他是當(dāng)時(shí)Rockwell的GPS首席工程師[1]。由于其德語(yǔ)非常流利，F(xiàn)ruehauf與Efratom合作開(kāi)發(fā)者密切合作。在1980年發(fā)射的第五顆GPS衛(wèi)星上，一個(gè)太空加固的FTS銫鐘終于在太空中取得了成功，這是第一個(gè)具有太空價(jià)值的銫鐘。實(shí)驗(yàn)證明，它與使GPS能夠滿足其所有設(shè)計(jì)目標(biāo)的銣鐘一樣穩(wěn)定[9,11]。

盡管新制造的原子鐘具有極高的精度和穩(wěn)定性，但衛(wèi)星系統(tǒng)仍然必須彌補(bǔ)由于相對(duì)論效應(yīng)而造成的不可避免的時(shí)間差異。正如廣義相對(duì)論所預(yù)測(cè)的那樣，由于軌道時(shí)鐘在海拔22 200 km處的重力場(chǎng)較弱，太空時(shí)鐘比控制站和地球上的用戶(hù)接收機(jī)中的地面時(shí)鐘運(yùn)行得更快。如果對(duì)這種速率差異沒(méi)有采取任何措施，衛(wèi)星的時(shí)鐘將超過(guò)地面時(shí)鐘約45 μs·d–1。此外，根據(jù)狹義相對(duì)論，太空時(shí)鐘的高速擴(kuò)大了它們的時(shí)間間隔，與地面計(jì)時(shí)器相比，它們的“滴答”聲變慢了。這將時(shí)間的不匹配度減少到了約38.6 μs·d–1。為了消除剩余的差異，GPS操作員將發(fā)射前衛(wèi)星上原子鐘10 MHz的頻率稍微降低了大約0.006 Hz。如果沒(méi)有這種調(diào)整，GPS的定位誤差將超出約10 km·d–1，且這一誤差只會(huì)隨著時(shí)間的推移而增長(zhǎng)。

3.3.壽命較長(zhǎng)的衛(wèi)星

由于替代衛(wèi)星的建造和發(fā)射成本很高，因此短壽命的衛(wèi)星可能會(huì)使太空計(jì)劃破產(chǎn)。例如，蘇聯(lián)的第一個(gè)GLONASS衛(wèi)星平均壽命只有2～3年。這一壽命時(shí)長(zhǎng)使得每年都需要發(fā)射8～12顆新衛(wèi)星，以保持GLONASS的24衛(wèi)星星座的全面運(yùn)行。

Rockwell國(guó)際公司從一開(kāi)始就針對(duì)GPS衛(wèi)星的長(zhǎng)壽命采取了質(zhì)量控制措施，包括去除最容易發(fā)生故障的部件，減少使用性能不佳的部件，在飛行中對(duì)大范圍部件進(jìn)行監(jiān)控，以及對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行分析。這些努力取得了成果，最初的10顆GPS衛(wèi)星的平均壽命為7.6年（圖7）。在GPS II時(shí)代，衛(wèi)星平均壽命達(dá)到10～12年，每年需要更換2～3次。最新的GPS III衛(wèi)星于2018年年底開(kāi)始發(fā)射，其預(yù)計(jì)壽命為15年，截至2020年11月將有4顆衛(wèi)星進(jìn)入軌道。

圖7.1978年，工程師在發(fā)射前對(duì)第三個(gè)GPS衛(wèi)星原型進(jìn)行了測(cè)試。來(lái)源：The Aerospace Corporation (public domain)。

3.4.精準(zhǔn)預(yù)測(cè)

設(shè)計(jì)Transit系統(tǒng)的工程師和科學(xué)家開(kāi)創(chuàng)了預(yù)測(cè)其衛(wèi)星軌道方向的先進(jìn)技術(shù)。這是Transit成功發(fā)展的關(guān)鍵需求，且對(duì)GPS的目標(biāo)有更嚴(yán)格的要求。例如，導(dǎo)航衛(wèi)星的行星環(huán)繞路徑可以使它們從活躍的地面站消失數(shù)小時(shí)，這些地面站將更新后的坐標(biāo)上傳到星座。以Transit為例，隨著軌道衛(wèi)星名單被擠滿，Guier和JHUAPL的其他科學(xué)家利用對(duì)航天器軌跡的觀測(cè)來(lái)完善地球的引力模型。然后，他們將改進(jìn)后的數(shù)據(jù)輸入衛(wèi)星軌道并進(jìn)行地面位置計(jì)算。雖然早期Transit系統(tǒng)的定位精度偏差高達(dá)1 km，但隨著模型的改進(jìn)，誤差幅度下降到99 m，這明顯優(yōu)于該項(xiàng)目規(guī)定的185 m精度的目標(biāo)。隨著程序發(fā)展，靜態(tài)水平誤差可以下降到25 m（Transit未提供垂直位置）[12]。

在Transit成功的基礎(chǔ)上，GPS開(kāi)發(fā)人員優(yōu)化了軌道模型，用于預(yù)測(cè)星歷（軌跡），這些星歷（軌跡）解釋了行星的引力場(chǎng)和潮汐、太陽(yáng)和地球輻射以及行星自旋軸的漂移位置，其變化可達(dá)15 m左右。此外，為實(shí)現(xiàn)GPS衛(wèi)星時(shí)間同步而開(kāi)發(fā)的太空加固時(shí)鐘，進(jìn)一步提高了軌道預(yù)測(cè)精度。為了使GPS能夠在1.45×108m軌道行程中提供預(yù)期的位置精度，其衛(wèi)星軌道預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)模型對(duì)接收機(jī)的衛(wèi)星測(cè)距可以增加不超過(guò)幾米的誤差[11]。由于GPS還需要比Transit系統(tǒng)更快地重新計(jì)算其模型，其開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)必須設(shè)計(jì)一種新的數(shù)學(xué)方法，以接近實(shí)時(shí)生成預(yù)期的軌道路徑。

3.5.授權(quán)用戶(hù)使用權(quán)限

一場(chǎng)令人心碎的悲劇，以及后來(lái)的第一次伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)，使GPS企業(yè)迎來(lái)了5個(gè)關(guān)鍵工程挑戰(zhàn)中的最后一個(gè)：開(kāi)發(fā)廉價(jià)的用戶(hù)設(shè)備，以提供對(duì)PNT數(shù)據(jù)的快速訪問(wèn)。這一進(jìn)步將推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)最終被全世界軍方和平民所接受和采用。

這起悲劇發(fā)生在1983年，當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)將韓國(guó)的偏離航線的客機(jī)007誤認(rèn)為是間諜機(jī)并將其擊落，導(dǎo)致機(jī)上269人全部遇難。作為對(duì)此事的回應(yīng)，美國(guó)總統(tǒng)羅納德·里根承諾GPS民用信號(hào)可供全球使用。雖然GPS民用信號(hào)從一開(kāi)始就可以免費(fèi)獲取，但當(dāng)時(shí)它們的獲取并沒(méi)有得到保障。早期的GPS系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“選擇可用性技術(shù)”，這意味著它傳播了兩個(gè)不同的信號(hào)：一個(gè)用于軍事；另一個(gè)用于民用。盡管任何人都可以獲取準(zhǔn)確度較低的民用信號(hào)，但只有美國(guó)軍隊(duì)才能獲取準(zhǔn)確度最高的信號(hào)（以確保其在戰(zhàn)斗中的優(yōu)勢(shì)）。不過(guò)，民用信號(hào)的獲取將足以避免像007航班那樣的嚴(yán)重導(dǎo)航事故。里根還承諾，如果系統(tǒng)關(guān)閉，美方將至少提前10年發(fā)出系統(tǒng)關(guān)閉的通知。顯然，里根的承諾讓電子產(chǎn)品公司對(duì)GPS的未來(lái)前景感到放心。電子產(chǎn)品公司開(kāi)始開(kāi)發(fā)和制造更多的GPS接收機(jī)，然而這些設(shè)備，特別是為軍隊(duì)設(shè)計(jì)的，最初都是昂貴的專(zhuān)業(yè)產(chǎn)品，這也降低了它們的使用率。

JPO曾試圖通過(guò)簽訂合同來(lái)滿足軍隊(duì)的需求，希望能創(chuàng)建一系列軍事接收機(jī)標(biāo)準(zhǔn)件，以滿足一系列不同的目標(biāo)、尺寸和價(jià)格需求。程序設(shè)計(jì)和建立的9種用戶(hù)儀器數(shù)量有限，往往是笨重的，且需要大功率的電力（圖8）。最大的設(shè)備是一個(gè)比人高的大型軍用控制臺(tái)，它是用來(lái)安裝在大型飛機(jī)上的，它具有5個(gè)頻道，能讓兩名操作員坐在一排有5人寬的電子機(jī)架前。這個(gè)裝置證明了GPS可以不受距離其下方幾千英尺的敵軍干擾器（1 kW）的影響而正常運(yùn)行。較小的設(shè)備都有一個(gè)較粗的圓柱天線，包括一個(gè)11 kg的“便攜式”的接收設(shè)備，掛在士兵的背上，另一個(gè)版本安裝在軍用吉普車(chē)上，以及一個(gè)時(shí)鐘收音機(jī)大小的民用樣機(jī)。

在沙漠風(fēng)暴行動(dòng)開(kāi)始之前，由于缺少軍用級(jí)別的接收機(jī)，國(guó)防部開(kāi)始大量訂購(gòu)民用接收機(jī)，這補(bǔ)充了由士兵的家人和朋友寄往中東的接收機(jī)的數(shù)量。美國(guó)空軍的GPS操作人員也暫時(shí)關(guān)閉了選擇可用性技術(shù)，使民用信號(hào)降級(jí)，從而允許部隊(duì)完全精確地使用民用裝備。最終，美國(guó)武裝部隊(duì)在沙漠風(fēng)暴中使用了近90%的民用接收機(jī)；DoD從Trimble Naviga購(gòu)買(mǎi)了10 000臺(tái)，從Magellan系統(tǒng)購(gòu)買(mǎi)了3000臺(tái)[2]。

當(dāng)1991年1月中旬戰(zhàn)斗開(kāi)始時(shí)，電視前的觀眾看到了美方利用發(fā)射精度極高的武器摧毀了伊拉克空軍。GPS的廣泛使用也使美國(guó)軍隊(duì)能夠成功在單調(diào)的沙漠中以毀滅性的準(zhǔn)確性瞄準(zhǔn)敵人的炮兵部隊(duì)。PNT通過(guò)在戰(zhàn)斗中表現(xiàn)出的巨大價(jià)值（GPS開(kāi)發(fā)者曾承諾的）最終說(shuō)服了曾經(jīng)不愿參與該系統(tǒng)創(chuàng)建的軍事部門(mén)。

3.6.困難阻礙

在1979年6月批準(zhǔn)建造整個(gè)衛(wèi)星星座之后，直到沙漠風(fēng)暴之前，人們對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航的擔(dān)憂和誤解以及對(duì)其軍事價(jià)值的懷疑一直存在。事實(shí)上，美國(guó)國(guó)防部長(zhǎng)辦公室取消了1980—1982年的GPS預(yù)算。雖然預(yù)算很快又恢復(fù)了，但其在1981—1986財(cái)政年度預(yù)算中削減了30%，即5億美元。這次資金切斷使目標(biāo)星座的大小減少了四分之一，變成了18顆衛(wèi)星加上3顆備用衛(wèi)星。它還減緩了更先進(jìn)的下一代“Block II”衛(wèi)星的發(fā)展。到1988年，由于擔(dān)心18顆衛(wèi)星系統(tǒng)不能正常工作，DoD將該星座的衛(wèi)星數(shù)量恢復(fù)到24顆，其中包括3顆備用衛(wèi)星?！癇lock II”的衛(wèi)星計(jì)劃很快也恢復(fù)了[2]。

盡管如此，預(yù)算問(wèn)題仍持續(xù)減緩GPS的發(fā)展，發(fā)展中存在了新的技術(shù)和管理問(wèn)題，并延長(zhǎng)了整個(gè)GPS系統(tǒng)的建設(shè)時(shí)間周期。“我們按照Mal Currie的要求，開(kāi)發(fā)了新的完整系統(tǒng)，與測(cè)試項(xiàng)目的預(yù)算相同。金錢(qián)一直是一個(gè)問(wèn)題”，現(xiàn)在已經(jīng)退役的美國(guó)空軍上校Gaylord Green回憶說(shuō)，他是一名導(dǎo)航工程師，在GPS開(kāi)發(fā)的各個(gè)階段都發(fā)揮了重要作用[1]。Parkinson最初知道Green是斯坦福大學(xué)的研究生，后來(lái)Green在美國(guó)空軍的再入飛行器項(xiàng)目中為他工作，當(dāng)Parkinson接管621B項(xiàng)目時(shí)，他邀請(qǐng)Green加入衛(wèi)星導(dǎo)航項(xiàng)目。后來(lái)Green于1985—1988年擔(dān)任GPS的項(xiàng)目主任。

盡管如此，GPS的發(fā)展還是遭受了一些挫折，這與美軍內(nèi)部的競(jìng)爭(zhēng)和預(yù)算問(wèn)題無(wú)關(guān)。1986年的挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)的發(fā)射災(zāi)難使1979年分配給航天飛機(jī)編隊(duì)的GPS衛(wèi)星發(fā)射項(xiàng)目中斷。此后又花了兩年時(shí)間才重新使用Delta II火箭進(jìn)行發(fā)射。盡管如此，當(dāng)其他軍事項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)利用GPS完成自己的目標(biāo)，并且支持增加導(dǎo)航系統(tǒng)的預(yù)算時(shí)，其項(xiàng)目仍可以從中受益。當(dāng)USN需要一種方法在廣闊的海洋區(qū)域追蹤三叉戟導(dǎo)彈的發(fā)射測(cè)試時(shí)，Parkinson和James Spilker（數(shù)字通信的先驅(qū)和GPS設(shè)計(jì)的主要貢獻(xiàn)者）提出了一種使用GPS信號(hào)來(lái)完成這項(xiàng)工作的方法。國(guó)防部接受這一建議，使演示階段的四衛(wèi)星GPS項(xiàng)目的衛(wèi)星數(shù)量增加了兩顆并從USN向USAF項(xiàng)目轉(zhuǎn)移了6600萬(wàn)美元。

圖8.（a）1977年由Rockwell Collins公司制造的用于飛機(jī)上的第一臺(tái)軍用GPS五通道接收機(jī)。該裝置重量超過(guò)120 kg，安裝在USAF設(shè)備飛行測(cè)試板上。（b）兩名士兵于1978年測(cè)試了約11 kg的GPS“便攜式”接收裝置的早期型號(hào)，每個(gè)裝置都有一個(gè)較粗的圓柱天線。（c）2017年最先進(jìn)的GPS芯片。來(lái)源：Rockwell Collins (public domain)；USAF (public domain)；Wikimedia Commons (CC0 1.0)。

美國(guó)的核裁軍計(jì)劃還通過(guò)在衛(wèi)星上增加核爆炸傳感器，增加了GPS的預(yù)算。為了幫助評(píng)估核打擊情況，這些傳感器還監(jiān)測(cè)了1968年《核不擴(kuò)散條約》的遵守情況。根據(jù)Green的說(shuō)法，增加這些傳感器不僅僅是增加了資金，他說(shuō)：“在整個(gè)GPS系統(tǒng)獲得最終批準(zhǔn)之前，預(yù)算分析得出的結(jié)論是，它不能滿足軍事需要。但核探測(cè)系統(tǒng)能夠滿足軍事需要，從而使GPS計(jì)劃獲得批準(zhǔn)?！?/p>

3.7.正常運(yùn)行

1995年7月，就在沙漠風(fēng)暴幾年后，美國(guó)空軍宣布全面運(yùn)行GPS，此時(shí)距離1973年批準(zhǔn)的概念性四顆衛(wèi)星演示已經(jīng)過(guò)去了22年[13]。同年，隨著蘇聯(lián)解體，俄羅斯通過(guò)了GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)，并宣布24衛(wèi)星陣列可以完全投入使用（僅供軍事使用）。但該星座迅速失修，到2002年就縮小到7顆衛(wèi)星，于是俄羅斯對(duì)其進(jìn)行了修復(fù)，使該系統(tǒng)能夠再次全面投入運(yùn)行[14]。現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)25年的運(yùn)營(yíng)，GPS除了GLONASS之外還有其他公司。中國(guó)完成了名為北斗的GNSS，于2020年6月23日發(fā)射，并將該星座的規(guī)模擴(kuò)大到全部衛(wèi)星。歐盟的伽利略系統(tǒng)建設(shè)接近尾聲，預(yù)計(jì)到2022年能夠完全運(yùn)行，其擁有24顆活動(dòng)衛(wèi)星和6顆備用衛(wèi)星。得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校GNSS專(zhuān)家及航空航天工程和工程力學(xué)副教授Todd Humphrey說(shuō)：“中國(guó)的系統(tǒng)和伽利略系統(tǒng)相當(dāng)于GPS，但就信號(hào)質(zhì)量或定位而言，GLONASS從來(lái)都不是GPS的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手?！彼窃摯髮W(xué)無(wú)線電導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人。

1978年從美國(guó)空軍退休的Parkinson說(shuō)，如果美國(guó)空軍支持衛(wèi)星導(dǎo)航的建設(shè)并支持GPS項(xiàng)目，該系統(tǒng)在1985年前后就能完成，而不需要延后到1995年。他進(jìn)入科羅拉多州柯林斯堡的科羅拉多州立大學(xué)擔(dān)任教授，然后成為Rockwell公司的副主席，之后成為馬薩諸塞州劍橋Intermetrics集團(tuán)的副總裁。由于他的血液中流淌著GPS的基因，他夢(mèng)想著衛(wèi)星系統(tǒng)的民用應(yīng)用能夠在軍事機(jī)構(gòu)中慢慢形成，將其中許多想法變成現(xiàn)實(shí)（圖9）。

1984年，Parkinson回到斯坦福大學(xué)，成為航空航天專(zhuān)業(yè)的教授。在20世紀(jì)90年代，除了其他成就外，他還領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)研究小組，設(shè)計(jì)了一系列高精度民用GPS（其他許多學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和私人公司的數(shù)百名工程師也是如此）。例如，普通的GPS信號(hào)為航空公司和其他民用航空公司提供精確的遠(yuǎn)程導(dǎo)航，但在黑暗或惡劣天氣下引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)入跑道需要更高精度的信號(hào)。在使用GPS系統(tǒng)之前，許多機(jī)場(chǎng)都用復(fù)雜而昂貴的儀器著陸系統(tǒng)來(lái)提供導(dǎo)航。由美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）贊助，Parkinson、同事和學(xué)生一起幫助開(kāi)發(fā)了廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS），現(xiàn)在其被廣泛應(yīng)用于美國(guó)、加拿大和墨西哥各地（其他國(guó)家已經(jīng)在其他地區(qū)部署了類(lèi)似的系統(tǒng)）。WAAS在傳播信息時(shí)，會(huì)確保信號(hào)的完整性并對(duì)自然誤差進(jìn)行小幅度修正，并在6 s內(nèi)通知用戶(hù)有故障的衛(wèi)星信號(hào)；其修正定位精度僅有幾米誤差[15]。

在與斯坦福大學(xué)Parkinson研究小組的另一次合作中，美國(guó)聯(lián)邦航空局于1992年向聯(lián)合航空公司租借了一架波音737，以進(jìn)行著陸實(shí)驗(yàn)?；贕PS的位置傳感技術(shù)，即差分GPS，使飛機(jī)能夠以厘米的精度測(cè)量自己的位置和姿態(tài)，使它的飛行過(guò)程達(dá)到一個(gè)更好的狀態(tài)[11]。僅使用GPS的測(cè)量，Parkinson團(tuán)隊(duì)演示了110次“盲”著陸（由自動(dòng)駕駛儀執(zhí)行，但由飛行員監(jiān)控）[16]。今天，聯(lián)邦航空局正在授權(quán)使用GPS進(jìn)行自動(dòng)化程度較低（第一類(lèi)）的精度著陸，并承諾制定專(zhuān)門(mén)用于GPS的規(guī)范，第三類(lèi)著陸是可以“盲”著陸的。該機(jī)構(gòu)還將通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航確定飛機(jī)位置的技術(shù)作為其正在進(jìn)行的美國(guó)空中交通管制系統(tǒng)（NextGen）現(xiàn)代化的核心內(nèi)容。這種大規(guī)模升級(jí)始于21世紀(jì)初，并計(jì)劃至少持續(xù)到2025年。

同樣在20世紀(jì)90年代，Parkinson的斯坦福項(xiàng)目追求另一種純地面、高精度的GPS應(yīng)用，得到了美國(guó)農(nóng)業(yè)設(shè)備公司John Deere的財(cái)政支持和一臺(tái)拖拉機(jī)。學(xué)生研究小組改裝了拖拉機(jī)，增加了基于GPS的導(dǎo)航和控制，并在1996年創(chuàng)造出了世界上第一臺(tái)全自動(dòng)農(nóng)用拖拉機(jī)。該控制系統(tǒng)在拖拉機(jī)速度為5 m·s–1時(shí)，實(shí)現(xiàn)了2.54 cm的無(wú)人駕駛轉(zhuǎn)向，并在每個(gè)維度對(duì)車(chē)輛進(jìn)行了單自由度的姿態(tài)測(cè)量。這項(xiàng)研究使人們?cè)谵r(nóng)業(yè)中開(kāi)始廣泛采用GPS的精確定位，有助于農(nóng)民通過(guò)更快、更有效的種植和收獲方式來(lái)提高作物產(chǎn)量和降低成本（圖10）。精確地施用化肥和農(nóng)藥也可以減少種植作物對(duì)環(huán)境的影響。全球以GPS為基礎(chǔ)的自動(dòng)化農(nóng)業(yè)年銷(xiāo)售額已超過(guò)10億美元 [17]。

科學(xué)家和測(cè)量人員開(kāi)發(fā)了新的測(cè)量技術(shù)以提高GPS系統(tǒng)的標(biāo)稱(chēng)精度，這需要更多的時(shí)間和更復(fù)雜的設(shè)置，但可以使用毫米精度的GPS進(jìn)行測(cè)量，其精度比正常的GPS定位精度高1000倍。這種精確的GPS測(cè)量有助于從地震學(xué)、滑坡運(yùn)動(dòng)和板塊構(gòu)造到大氣和其他環(huán)境研究等領(lǐng)域的科學(xué)研究[18]（圖11）。GNSS的精確測(cè)量和制導(dǎo)也已推廣到采礦和快速增加的無(wú)人機(jī)的控制。同時(shí)，普通GPS的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，包括各種應(yīng)急響應(yīng)、救援、野生動(dòng)物跟蹤、邊境執(zhí)法、捕魚(yú)管制和天氣預(yù)報(bào)等。

2000年，GPS對(duì)全世界普通民眾的實(shí)用性有了巨大的提升。美國(guó)總統(tǒng)比爾·克林頓（Bill Clinton）應(yīng)商業(yè)部門(mén)的長(zhǎng)期呼吁，下令停止選擇可用性技術(shù)，結(jié)束了民用信號(hào)的退化（圖12）。有了這一決定以及WAAS修正的應(yīng)用，手機(jī)可以在晴天下以2～3 m的精度提供街道導(dǎo)航。事實(shí)上，“選擇可用性是不正確的行為，它能不讓任何人獲得完全的精度，”P(pán)arkinson說(shuō)，“具有諷刺意味的是，美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)正在發(fā)布一個(gè)全國(guó)性的系統(tǒng)，該系統(tǒng)進(jìn)行傳播誤差修正，以消除DoD故意犯下的錯(cuò)誤。”

GPS接收機(jī)的尺寸、重量、功耗和成本都在急劇下降，這也讓它們的應(yīng)用出現(xiàn)了巨大的飛躍。技術(shù)人員根據(jù)當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，從離散的組件中組裝出了早期的大型儀器，因?yàn)槟菚r(shí)小型、輕便的集成電路技術(shù)還處于起步階段。但在從那之后的大約10年后，這種新型的電路制造方法已經(jīng)成熟到足以將其迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楦　⒏?jié)能、更便宜、功能更強(qiáng)的GPS接收機(jī)。第一款GPS接收機(jī)雖然試圖達(dá)到相對(duì)用戶(hù)友好的價(jià)格和便攜性，但其價(jià)格仍超過(guò)10萬(wàn)美元，重約50 kg，而今天的制造商以不到兩美元的價(jià)格就能購(gòu)買(mǎi)到智能手機(jī)使用的小型GPS芯片。

圖9.（a）汽車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)；（b）半自動(dòng)作物噴灑農(nóng)藥；（c）大壩故障自動(dòng)監(jiān)測(cè)；（d）廣域車(chē)輛監(jiān)測(cè)。這些草圖是由Bradford Parkinson教授在1980年和1981年繪制的，他在1972—1978年擔(dān)任GPS項(xiàng)目的第一位主任，領(lǐng)導(dǎo)了GPS的倡導(dǎo)、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。這些草圖概述了Parkinson當(dāng)時(shí)設(shè)想的GPS的民用應(yīng)用，包括現(xiàn)在無(wú)處不在的汽車(chē)和其他車(chē)輛的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，如今用手機(jī)就可以運(yùn)行，那些印刷的道路地圖基本已經(jīng)過(guò)時(shí)了。e.t.a.：預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間。來(lái)源：Bradford Parkinson，已獲得許可。

圖10.（a）安裝在John Deere 8345 RT拖拉機(jī)的雨篷前面的Startfire（D）GPS接收機(jī)引導(dǎo)衛(wèi)星輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。（b）在精確GPS的指導(dǎo)下，Precision Maxes（Lee’s Summit, Mo, USA）在美國(guó)馬薩諸塞州桑德蘭創(chuàng)建了這個(gè)玉米迷宮。來(lái)源：bdk, Wikimedia Commons (CCBYSA3.0)；Precision Mazes (public domain)。

圖11.（a）2005年，史密森學(xué)會(huì)的一名研究人員使用高精度GPS設(shè)備在美國(guó)加利福尼亞州死亡谷國(guó)家公園的伊貝克斯沙丘上測(cè)量了一個(gè)沙丘。（b）美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）的一個(gè)團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)便攜式“蜘蛛”儀器包，其中包含高精度GPS裝置，以監(jiān)測(cè)2014年3月美國(guó)華盛頓西北部山體滑坡的移動(dòng)情況。來(lái)源：Jim Zimbelman, National Air and Space Museum, Smithsonian Institution (public domain)；Jonathan Godt,USGS (public domain)。

當(dāng)GPS在沙漠風(fēng)暴以及隨后的索馬里、波斯尼亞和其他地方進(jìn)行的軍事行動(dòng)都取得成功后，美國(guó)軍方最終接受了其衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)?！巴蝗?，空軍有了信仰。他們意識(shí)到了他們所擁有的東西”，Parkinson說(shuō)。從那時(shí)起，開(kāi)發(fā)GPS的航天工程師被嘲笑為“Space weenies”的思想，成為了DoD武器系統(tǒng)、任務(wù)和演習(xí)的一個(gè)重要組成部分。在2020財(cái)政年度報(bào)告中，美國(guó)聯(lián)邦政府對(duì)GPS軍事和民用應(yīng)用的年度撥款總額接近18億美元[19]。

圖12.這兩個(gè)圖比較了GPS有選擇可用性（SA）和沒(méi)有選擇可用性的準(zhǔn)確性，兩個(gè)圖分別繪制了24 h的GPS數(shù)據(jù)——2000年5 月2日停止SA的前一天（a）和停止后的第二天（b）。左邊有SA的點(diǎn)跡顯示精度在約45 m半徑內(nèi)；右邊沒(méi)有SA的點(diǎn)跡顯示精度在約6 m半徑內(nèi)。來(lái)源：阿什利·霍尼什，國(guó)家航空航天博物館，Ashley Hornish, National Air and Space Museum, Smithsonian Institution (public domain)。

4.結(jié)束意見(jiàn)

4.1.不可或缺

為維護(hù)和改進(jìn)GPS系統(tǒng)所提供的資金使GPS能夠匹配迅速變化的技術(shù)。隨著舊衛(wèi)星的退役，美國(guó)不斷用升級(jí)過(guò)的衛(wèi)星取代星座中的舊衛(wèi)星（圖13）。美國(guó)空軍于2020年11月5日發(fā)射了該系統(tǒng)的第四個(gè)GPS III航天器04（圖14）。這些最新的太空飛行器正在逐漸取代第二代（“II”）衛(wèi)星，包括1989—2016年先后發(fā)射的5個(gè)不同且更先進(jìn)的系列子代衛(wèi)星。對(duì)衛(wèi)星的改進(jìn)包括更大的尺寸和功率、更新的電子和測(cè)距碼，以及更多的傳輸頻率。

圖13.藝術(shù)家繪制的第二代GPS Block IIA衛(wèi)星圖；這些衛(wèi)星在1989—1997年發(fā)射，現(xiàn)在都已退役，最后一顆衛(wèi)星在2019年退役。目前的GPS星座大部分由最近的第二代GPS衛(wèi)星系列組成，截至2020年8月，太空中仍有29顆（10顆IIR、7顆IIR-M和12顆IIF）在運(yùn)行。來(lái)源：GPS.gov (public domaion)。

然而，隨著GPS系統(tǒng)的價(jià)值和關(guān)鍵應(yīng)用數(shù)量的增加，GPS受到了越來(lái)越頻繁的攻擊，這些攻擊被歸類(lèi)為欺騙或干擾[20]。欺騙者用誤導(dǎo)性的數(shù)據(jù)向GPS接收機(jī)發(fā)送虛假信號(hào)來(lái)欺騙用戶(hù)，而干擾者在相同頻率范圍內(nèi)用強(qiáng)大的、無(wú)意義的信號(hào)覆蓋正常信號(hào)。為了應(yīng)對(duì)這種威脅，美國(guó)空軍已經(jīng)更新了帶有附加測(cè)距信號(hào)和特定頻率的GPS，接收機(jī)和天線的制造商也應(yīng)用了更強(qiáng)大的技術(shù)來(lái)檢測(cè)欺騙干擾和抵抗干擾。

人們?cè)诟鞣N日?；顒?dòng)中日益依賴(lài)GNSS的基礎(chǔ)建設(shè)。美國(guó)政府最近發(fā)起的一項(xiàng)研究估計(jì)，在1984—2017年之間，美國(guó)通過(guò)GPS獲得了1.4萬(wàn)億美元[21,22]。該研究進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明了系統(tǒng)中斷30天可能導(dǎo)致的后果，假設(shè)的故障也會(huì)影響其他GNSS網(wǎng)絡(luò)——Parkinson認(rèn)為這種可能性極小。報(bào)告指出，失去GPS服務(wù)一個(gè)月可能會(huì)因?yàn)殡娦啪W(wǎng)絡(luò)崩潰而造成大范圍的動(dòng)蕩。美國(guó)的農(nóng)作物生產(chǎn)將會(huì)被中斷，因?yàn)槊绹?guó)農(nóng)民已經(jīng)廣泛使用了自動(dòng)化拖拉機(jī)、收割機(jī)和其他依靠GPS數(shù)據(jù)來(lái)運(yùn)行的精確移動(dòng)設(shè)備。再加上其他由GPS支持的服務(wù)的失效，這些影響及其后果將在短短30天的時(shí)間內(nèi)對(duì)美國(guó)造成300億～450億美元的經(jīng)濟(jì)損失。雖然至少?gòu)?004年起，美國(guó)歷屆總統(tǒng)政府的國(guó)會(huì)法案和指令就要求實(shí)施地面PNT服務(wù)，以支持GPS/GNSS，但目前還沒(méi)有這樣的通用系統(tǒng)。然而，在航空運(yùn)輸方面，聯(lián)邦航空局計(jì)劃繼續(xù)在美國(guó)各地運(yùn)行一套最低限度的無(wú)線電導(dǎo)航地面站，以確保具有備用的飛行路徑和著陸制導(dǎo)，盡管其精度和高度低于GPS和其他GNSS。美國(guó)總統(tǒng)于2020年2月12日發(fā)布的一項(xiàng)行政命令再次要求政府機(jī)構(gòu)制定基于非GNSS的PNT服務(wù)的后備計(jì)劃[23]。

圖14.自2018年以來(lái)，截至2020年11月，已有4顆第三代（GPS III）衛(wèi)星加入了GPS星座。（a）一艘太空X獵鷹9號(hào)火箭運(yùn)載著第三顆GPS III衛(wèi)星SV 03，于2020年6月從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍站升空。（b）藝術(shù)家繪制的GPS III衛(wèi)星圖；這些最新一代衛(wèi)星的預(yù)期壽命為15 年。來(lái)源：SpaceX (public domaion)；GPS.gov (public domaion)。

幸運(yùn)的是，GNSS星座及其所有后備衛(wèi)星的增加大大降低了全球甚至部分PNT故障的可能性。它還通過(guò)測(cè)量四顆以上衛(wèi)星的距離來(lái)提高定位的精度和完整性。Parkinson評(píng)論說(shuō)，在最近一次徒步到他家附近的加利福尼亞州山區(qū)的一座小山峰上，他看了看自己的手機(jī)，發(fā)現(xiàn)它收集了來(lái)自11顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。雖然美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)最近才授權(quán)使用歐盟的伽利略系統(tǒng)，但GNSS芯片制造商已經(jīng)將全球所有星座以及所有區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)納入其最新一代芯片。

在今后幾十年中，GPS及其姐妹系統(tǒng)GNSS預(yù)計(jì)將繼續(xù)作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，用于幫助創(chuàng)建新的連接、服務(wù)和功能。舉例來(lái)說(shuō)，截至2020年2月，至少有34個(gè)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始部署5G，即下一代無(wú)線通信。這種新技術(shù)承載數(shù)據(jù)下載速度可達(dá)每秒20 GB，比4G快數(shù)百倍。下一代無(wú)線通信對(duì)于包括自動(dòng)駕駛汽車(chē)和所謂的“智能城市”在內(nèi)的新技術(shù)至關(guān)重要[24]。這些基于5G的新技術(shù)越來(lái)越依賴(lài)于GNSS星座提供的PNT信號(hào)。

4.2.時(shí)間線

表1概述了GPS和當(dāng)前全球GNSS基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展里程碑，從1957年10月發(fā)射Sputnik 1號(hào)到2020年完成第三個(gè)全球系統(tǒng)，即中國(guó)的北斗，以及即將完成的歐盟伽利略系統(tǒng)。

表1 GPS發(fā)展里程碑的時(shí)間線

4.3.繼續(xù)服役

GPS持續(xù)為全人類(lèi)服務(wù)。關(guān)于日常傳播的GPS信號(hào)設(shè)計(jì)，Parkinson寫(xiě)道：“截至2010年，大約95%的GPS信息經(jīng)受住了考驗(yàn)，不需要任何改變，這是對(duì)1975年設(shè)計(jì)了信號(hào)結(jié)構(gòu)的杰出工程師和科學(xué)家的偉大致敬，它已經(jīng)持續(xù)了35年，卻幾乎不需要修改。”他是關(guān)于GPS起源的系列文章（由兩部分組成）的第一作者，該系列發(fā)表在2010年5月和6月的行業(yè)刊物GPS World上[9,11]。

GPS為世界上許多目前占主導(dǎo)地位的技術(shù)提供了基礎(chǔ)設(shè)施，其高精確的位置和時(shí)間信息使各種技術(shù)成為可能。星座的配置和基本工作方式從根本上促成了我們?nèi)找鎻?fù)雜的數(shù)字世界。特別是GPS能夠同時(shí)向無(wú)限數(shù)量的接收機(jī)進(jìn)行傳播的能力，允許應(yīng)用程序和用戶(hù)數(shù)量無(wú)限增長(zhǎng)。這一工程成果經(jīng)過(guò)了現(xiàn)代化和更新，但基本上沒(méi)有變化，它是導(dǎo)航、通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、武器、科學(xué)研究、金融、交通和許多其他領(lǐng)域的無(wú)數(shù)先進(jìn)應(yīng)用的核心組成部分[25]。

“革命還在繼續(xù)，”P(pán)arkinson 2020年1月在加利福尼亞州山景城的谷歌發(fā)表的演講中說(shuō)，“驅(qū)動(dòng)GPS的‘引擎’是工程學(xué)。電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)是其中的核心，但所有的工程學(xué)科都參與其中?！?/p>

4.4.革命家——Bradford W.Parkinson

1972年末，美國(guó)空軍上校Parkinson接管了當(dāng)時(shí)保密的GPS項(xiàng)目，領(lǐng)導(dǎo)了其設(shè)計(jì)和實(shí)施的早期和關(guān)鍵階段（圖15）?，F(xiàn)在，Parkinson是位于加利福尼亞州帕洛阿爾托的斯坦福大學(xué)航空航天的名譽(yù)退休教授，但他在定位、導(dǎo)航和計(jì)時(shí)領(lǐng)域仍然非?；钴S。1978年P(guān)arkinson從美國(guó)空軍退役后，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界工作了幾年，然后成為了斯坦福大學(xué)的教員，領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)研究小組，主要開(kāi)發(fā)一個(gè)不斷擴(kuò)大的GPS應(yīng)用陣列。

在該項(xiàng)目投入使用25余年之后，將自己稱(chēng)作“革命家”的Parkinson回答了關(guān)于這一主要工程成就的問(wèn)題。

WEISS：1962年，美國(guó)總統(tǒng)約翰·F.肯尼迪發(fā)表了一篇著名的演講，講述了民用航天機(jī)構(gòu)美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在那十年中的探月計(jì)劃。美國(guó)軍方則在那段時(shí)間已經(jīng)設(shè)計(jì)和建造了第一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。這兩項(xiàng)成就標(biāo)志著美國(guó)太空時(shí)代的到來(lái)，那么這兩個(gè)項(xiàng)目之間有聯(lián)系嗎？

PARKINSON：NASA月球工作的重點(diǎn)是載人航天。NASA有自己的一組工程師、與之合作的公司，以及麻省理工學(xué)院的Draper實(shí)驗(yàn)室為阿波羅計(jì)劃提供指導(dǎo)。我認(rèn)識(shí)的Draper博士對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航有著狂熱的興趣。因?yàn)檫@是太空中的信號(hào)，不是獨(dú)立的，他說(shuō)過(guò)，“人能生產(chǎn)出來(lái)東西，也能摧毀或破壞?！彪m然NASA從未參與過(guò)GPS的開(kāi)發(fā)、管理或技術(shù)研究，但也有一個(gè)巧合。我們的GPS衛(wèi)星是由Rockwell國(guó)際公司制造的。Rockwell同時(shí)也在建造航天飛機(jī)，它是阿波羅號(hào)的“直接繼承者”。航天飛機(jī)和GPS有不同的部門(mén)，但如果GPS需要工程師來(lái)解決空氣動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)或傳熱問(wèn)題，也可以利用Rockwell龐大的工程師隊(duì)伍，這不是因?yàn)樗麄儞碛袑?duì)航天飛機(jī)的相關(guān)知識(shí)，而是因?yàn)樗麄兞私馔ㄓ眉夹g(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)。

WEISS：許多美國(guó)高級(jí)軍官，即使是在參與GPS項(xiàng)目的美國(guó)空軍中，也有人不想要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS是如何在這種反對(duì)聲中幸存下來(lái)的呢？

PARKINSON：Malcolm Currie博士是一位擁有物理學(xué)博士學(xué)位的職員，他負(fù)責(zé)整個(gè)美國(guó)國(guó)防部的所有研發(fā)資金。1972年，Currie來(lái)到洛杉磯與我見(jiàn)面。一位招待Currie的將軍回想，“我知道如何分配大約三個(gè)小時(shí)。我會(huì)把他送去見(jiàn)Parkinson。他很健談。”在我們討論的最后，一些神奇的事情發(fā)生了。Currie博士成為我們項(xiàng)目的擁護(hù)者，我們開(kāi)始了直接且非正式的交流。1978年，我們對(duì)四顆衛(wèi)星演示系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛測(cè)試并證明其可行性，但是當(dāng)我們實(shí)現(xiàn)了所有的目標(biāo)時(shí)，空軍仍然不想資助它。但是五角大樓的領(lǐng)導(dǎo)層（事實(shí)上是Currie博士），對(duì)此事進(jìn)行了干預(yù)，從根本上迫使空軍為其提供資金。但是，空軍提供給我們的預(yù)算很低，不然GPS的全面運(yùn)作可能比1995年至少提前十年。

WEISS：當(dāng)軍方反對(duì)GPS項(xiàng)目的時(shí)候，是什么讓你能夠繼續(xù)前進(jìn)呢？

PARKINSON：當(dāng)時(shí)的氣氛是令人絕望的。我很快就患上了嚴(yán)重的胃痛，因?yàn)槲夜ぷ髁撕荛L(zhǎng)時(shí)間，喝了太多的咖啡。1972年，作為該項(xiàng)目的新負(fù)責(zé)人，我?guī)缀醢盐沂窒滤械娜硕紦Q掉了，不是因?yàn)樗麄儾缓?，而是這個(gè)項(xiàng)目需要一群敬業(yè)、不屈不撓而且無(wú)私的人。于是我們就變成了這樣。我招聘的所有人都討厭失去。我們不能容忍不去這樣做，但在這方面我們勢(shì)單力薄。除了Currie博士，我們沒(méi)有很多朋友。同事間的情誼是極端的。不管付出什么代價(jià)，你都不能讓團(tuán)隊(duì)失望。

到每天上午11:30左右，我的腦子里都會(huì)有大量的問(wèn)題。我的解決辦法是每天中午去跑步，至少跑四英里。而每到周五，我總是要跑十英里。當(dāng)我回來(lái)的時(shí)候，我會(huì)精神煥發(fā)，積極向上，并想出新的行動(dòng)方案。我一直是個(gè)跑步者，不僅僅是這樣。我甚至成為了一名馬拉松運(yùn)動(dòng)員，我手下的至少十幾個(gè)人也成為了馬拉松運(yùn)動(dòng)員。這是我們的應(yīng)對(duì)方式。

此外，每個(gè)周五晚上，我們都會(huì)去軍官俱樂(lè)部一起喝啤酒。在那里有笑話和友情，但也有技術(shù)討論，有很多問(wèn)題都在聚會(huì)中得以解決。當(dāng)我在奮斗時(shí)，我們會(huì)在筋疲力盡6個(gè)小時(shí)后在軍官俱樂(lè)部聚會(huì)。我們這一群人始終在談?wù)撐覀儜?yīng)該做什么，戰(zhàn)術(shù)是什么，結(jié)果是什么。同時(shí)我們也在娛樂(lè)，享受彼此的尊重。GPS小組周五的啤酒聚會(huì)的氣氛總是很相似的。跑步和周五的啤酒聚會(huì)是一種治療方法，坦率地說(shuō)，這對(duì)我們正在做的事情至關(guān)重要。我以前從沒(méi)有治好的胃病，也隨之消失了。

圖15.（a）在這張20世紀(jì)70年代的照片中，美國(guó)空軍上校Bradford Parkinson（中）與航空航天公司的工程師Frank Butterfield（左）和美國(guó)海軍指揮官Bill Huston （右）討論GPS。（b）Bradford Parkinson 2016年在美國(guó)加利福尼亞州斯坦福大學(xué)任教，他仍擔(dān)任航空航天名譽(yù)教授。來(lái)源：The Aerospace Corporation (public domain); Courtesy of Brad Parkinson。

WEISS：是什么促使軍方提供民用服務(wù)的？

PARKINSON：在我們發(fā)射第一顆衛(wèi)星之前，我向國(guó)會(huì)提供了證詞，說(shuō)我們將會(huì)提供民用信號(hào)，但沒(méi)有保證我會(huì)公布使用它的方法。然后每個(gè)人都問(wèn)我，“你是怎么做出那個(gè)決定的？”我就是決定了，我沒(méi)有詢(xún)問(wèn)任何人。因?yàn)槿绻胰?wèn)別人，會(huì)有很多人告訴我不要這樣做。所以，我認(rèn)為它就應(yīng)該這樣。據(jù)我所知，第一個(gè)GPS的民用裝置是由英國(guó)利茲大學(xué)的學(xué)生在Peter Daly教授的指導(dǎo)下建造的。他們表明，我們確實(shí)提供了允許非軍事用戶(hù)使用導(dǎo)航系統(tǒng)的規(guī)范。

WEISS：您曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，您驚訝于GPS在民用應(yīng)用方面的迅速發(fā)展。

PARKINSON：在GPS應(yīng)用中，GPS對(duì)農(nóng)業(yè)方面的市場(chǎng)產(chǎn)生巨大的拉動(dòng)作用。1996年，我在斯坦福大學(xué)的學(xué)生設(shè)計(jì)了第一臺(tái)由GPS引導(dǎo)的機(jī)器人拖拉機(jī)，他們通過(guò)對(duì)商業(yè)模型進(jìn)行改造，使其可以通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)以極高精度在農(nóng)田中進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航。農(nóng)場(chǎng)設(shè)備制造商John Deere為我們提供了一輛拖拉機(jī)和大量資金，但他們當(dāng)時(shí)對(duì)于農(nóng)民是否想要自動(dòng)導(dǎo)航持懷疑態(tài)度。事實(shí)證明，他們的懷疑是錯(cuò)誤的。在不到15年的時(shí)間里，機(jī)械農(nóng)場(chǎng)裝備的市場(chǎng)價(jià)值達(dá)到了4億美元。而從那時(shí)起至今，這個(gè)數(shù)字又翻了一倍多。

完全采用GPS控制飛機(jī)著陸是一個(gè)緩慢的過(guò)程。1992年，多虧美國(guó)聯(lián)合航空公司和美國(guó)聯(lián)邦航空局借給我們一架波音737，我們得以演示了110次直接“盲”著陸。它工作得很完美。但是，讓這些“Category 3”著陸獲得美國(guó)聯(lián)邦航空局的完全認(rèn)證是一個(gè)非常緩慢的過(guò)程，他們正在慢慢接受它。你必須證明利用這個(gè)系統(tǒng)著陸的失敗概率不超過(guò)千萬(wàn)分之一。從我們第一次展示那些“盲”著陸到現(xiàn)在已經(jīng)28年了，這幾乎是一個(gè)人的職業(yè)生涯。

WEISS：什么事讓您感到吃驚？

PARKINSON：我對(duì)那些我曾認(rèn)為不可行的領(lǐng)域感到驚異，比如用GPS定位飛船。對(duì)于低于GPS衛(wèi)星的軌道來(lái)說(shuō)，這是必然成功的事。但是到目前為止，至少在理論上，已經(jīng)有一些人在GPS軌道以上的地球同步軌道上做到了這一點(diǎn)。下一步就可能會(huì)是一個(gè)真正意義上的杰作。一項(xiàng)即將進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)將利用GPS衛(wèi)星的剩余能量為繞月球運(yùn)行的飛行器進(jìn)行導(dǎo)航，這些能量從GPS衛(wèi)星射向地球表面。我也驚訝于研究構(gòu)造板塊的人們是如何測(cè)量板塊邊界兩側(cè)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的，其在三維空間中的精確度能小于1 mm。速度可能是10 cm·a–1，但他們測(cè)量速度的精度單位是mm·a–1。

事后看來(lái)，我本應(yīng)該靠著汽車(chē)導(dǎo)航發(fā)一筆財(cái)?shù)?。它是我?980年左右設(shè)想出的6個(gè)潛在應(yīng)用之一（圖9）。我的概念是在平視顯示器上有一個(gè)移動(dòng)地圖，一個(gè)小聲音會(huì)告訴你下一個(gè)轉(zhuǎn)彎的時(shí)間，還有一個(gè)通訊連接。我認(rèn)為這一切都相當(dāng)巧妙，但我們當(dāng)時(shí)什么也沒(méi)做，因?yàn)槲覀儧](méi)有預(yù)料到無(wú)處不在的手機(jī)的出現(xiàn)。

WEISS：黑客攻擊GPS和其他GNSS的可能性引起了人們對(duì)其安全性和可靠性的關(guān)注。您的觀點(diǎn)是什么？

PARKINSON：國(guó)會(huì)和DoD一直在想辦法解決干擾和欺騙GPS的問(wèn)題，所有人都認(rèn)為這是一個(gè)大問(wèn)題。其實(shí)并不是，我們知道如何制造幾乎能夠抵御這些攻擊的GPS接收機(jī)。這些接收機(jī)比我們的手機(jī)要復(fù)雜得多，它們可以承受強(qiáng)大的干擾，并完全隔離任何干擾。

1978年，我們用很大一部分預(yù)算組裝了一個(gè)極好的接收機(jī)，我在運(yùn)行這個(gè)程序時(shí)展示了應(yīng)對(duì)干擾和欺騙的對(duì)策。你猜發(fā)生了什么？商用飛機(jī)沒(méi)有這些，其中的部分原因是我國(guó)的法律禁止出口技術(shù)。商業(yè)航空電子設(shè)備制造商可以制造這種接收機(jī)，但他們不能把它們裝在出售給某些國(guó)家的飛機(jī)上。每個(gè)人都知道如何建造這樣一個(gè)安全的接收機(jī)。他們可能不明白你能做得有多好，但如果你有至關(guān)重要的、有關(guān)生命安全的應(yīng)用或者是大型船舶，你可以獲得一個(gè)即使在10 000 W的干擾下也能夠正常工作的接收機(jī)。與手機(jī)相比，這樣的接收機(jī)十分昂貴，大概是10萬(wàn)美元，但與現(xiàn)代油輪的成本相比，這簡(jiǎn)直不值一提。干擾和欺騙是一個(gè)政治問(wèn)題，而不是一個(gè)技術(shù)問(wèn)題。

Acknowledgements

The author thanks David E.Egerter, PhD, for his patient support and editing.He especially thanks, for his time, insights, and willingness to explain, Professor Bradford W.Parkinson, without whom this article—and GPS—might not exist.