GPS作为现代战争中不可或缺的“指南针”，除了在军事上发挥威力，GPS已在科学研究、导航定位、大地测量、资源调查等领域得到了广泛的应用，并逐渐深入到人们的日常生活之中，显示出了巨大的应用潜力和前景。GPS卫星导航定位系统已成为人类从事政治、科学、经济和军事活动必不可少的信息技术，成为导航发展史上新的里程碑。

　　三大技术支撑GPS

　　GPS的出现和成功不是偶然的，它是空间技术和电子技术迅猛发展的必然结果。

　　1957年10月4日，苏联发射了人类历史上的第一颗人造地球卫星，开创了人造天体的新时代。如何测量卫星的轨道与控制卫星的运动呢？这一课题首当其冲地展现在科学家面前。当时，美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研究人员通过观测发现，多普勒频移曲线和卫星轨道之间存在着对应关系。这就是说，在已知坐标的观测点上，测量卫星转发器频率的多普勒频移，就能确定卫星轨道及其部分运动参数。依据上述情况，美国科学家开始了逆向思维：当知道人造卫星的坐标位置后，是否能够通过多普勒频移测量确定观测点的坐标呢？上述想法到20世纪60年代变成现实。美国于1960年4月发射了世界上第一颗导航卫星“子午仪”1B，并于1964年7月组成导航卫星网，为核潜艇和各类海面舰船等提供全天候的导航定位，证实了远距离星座的作用距离和高定位精度可以统一的可行性。高精度地确定和预报导航卫星的轨道参数，从而构成导航定位的星基基准，是建立高轨道卫星导航系统必须首先解决的问题，它是GPS出现的第一技术基础。

　　美国海军研究实验室(NRL)分别于1967年、1969年和1974年相继研制和发射了3颗Timation卫星。到1972年，它发展的在轨卫星运行的高精度时钟技术的水平，已从起初使用的非常稳定的石英晶体振荡器，发展到采用第一批原子频率标准(铷频和铯频)，大大改善了卫星轨道的可预测性(星历)和伪距的度量精度。这种高精度的时间标准方面的开拓性工作是创建GPS系统的又一个重要技术基础。

　　1972年，在美国空军的“621”计划和美国海军的NOVA卫星上，均试验和演示了以伪随机码(PRN)为基础的新型卫星测距信号，用来测定卫星的距离，其功能强之强，甚至在信号功率密度低于环境噪声的1%时也能把信号检测出来。适当选择一些正交的PRN编码序列，使所有的卫星可以在相同的标定频率上广播，从而为更大区域提供优良的测距信号，同时也满足GPS接收机小型化的要求。伪码测距技术的成功应用，构成了GPS系统的又一个重要基础。上述三大技术基础“成就”了GPS技术系统。

　　大科学需要战略眼光

　　大科学工程的成功，不但需要坚实的技术基础，也需要强有力的科学管理与决策，这在GPS的成功研制上得到了充分印证。

　　GPS计划实施之初存在来自多方面的阻力，因为当时没有一个作战部队的司令部能认识到这种星基导航系统对作战的重要性，即使希望有，也不愿投资。是当时担任美国国防部研究和工程署副部长的Malcolm Currie博士预见到了GPS的价值。他曾经指出：“GPS卫星全球系统是国防部内影响最深远的计划之一，也是最有远见的计划之一，它可能导致战略战术的全面革新。” 在官僚主义的争论过程中，他坚定地支持GPS；如果没有他的支持，GPS计划可能早在首颗卫星发射之前就夭折了。

　　20世纪70年代初，美国国防部的系统采办政策发生了一系列变化，采用“联合”计划的形式迫使各军兵种协同工作。酝酿研制GPS期间的1973年，国防部成立了卫星导航定位联合计划办公室(JPO)，办公室设在空军的空间和导弹机构内，有多个兵种参加。从此，GPS计划成为一个联合计划，一个早期得益于新采办政策的范例。JPO有幸由Parkinson博士作为计划负责人，其职责是为“联合发展”制定最初的方案，获得国防部的批准，以便着手进行规模性的演示和研制。在多位科学家的共同参与下，Parkinson博士提出了一个新的技术方案，吸纳了有关系统的长处。这种对以前已有成果的肯定和继承，使所有竞争方均成为方案形成过程的参与者，不但保证了GPS的技术优势，而且消除了以后相互龃龉。

　　为获得批准，Parkinson博士多方联络那些能在决策中起关键作用的部门和官员。在经过冗长的游说后， 1973年12月17日GPS系统的计划获得批准。计划实施初期，国防部仅批准了3颗卫星，由于三维导航定位最少需要4颗卫星，这样任何发射或运行故障均会对第一阶段演示计划造成严重影响，因此追加一颗卫星显得十分迫切和重要。

　　当时的情况是，Transit系统要追加投资，以便将一些Transit卫星配备类似于GPS所使用的PRN码，其目的是要在三叉戟潜艇上向海域发射导弹，实验中对其助推器提供精确跟踪。DDR＆E的Bob Cooper博士提出GPS是否可以完成这一任务。在第三次也是最高级别的评审会上，在Jim Spilker博士和Jack Klobuchar博士的支持下，Parkinson博士提出了有说明力的理由和论证，他认为只要能批准再提供两颗卫星，GPS就能够解决Trident导弹的跟踪问题。Cooper博士当即决定采用GPS方案，指示将6000万美元经费从海军转拨到空军。GPS追加了这两颗卫星，不但使第一阶段的实验时间得以延长，而且明显地降低了计划的实施风险，这个鲜为人知的事件也同时消除了更新Transit计划，从而也避免了与快要成功的GPS竞争的可能性。

　　军民两用 皆大欢喜

　　GPS之所以成功，也由于它一直重视、权衡和处理好了军用和民用两者利益。GPS本来是冷战的产物，是为美国的全球政治军事战略服务的，在军事上有极其重要的价值。但它从一开始，就注意由军用逐步变成军民两用。

　　实际上，美国政府一方面为了最大程度地获取经济利益，鼓励GPS在国际范围应用；另一方面，为了维持其军事优势，相对应地提供两种服务：一种是“标准定位服务SPS”，供各国民间应用；另一种是“精密定位服务PPS”，专供美国及盟国军方使用。美国政府于1991年7月1日和1994年1月31日先后开始实施“SA”和“AS”技术。“SA”(Selective Availability)是“有选择可用性”技术；“AS”(Auti-Spoofing)技术是反电子欺骗技术。由于采用了“AS”和“SA”技术，民间用户的定位精度降至100米，而美国军方的定位精度仍可达到1米的量级，实现了对GPS的垄断。

　　随着民用开发的不断扩大，民用对导航定位精度要求的改善也日益迫切，对于拥有GPS的美国政府，从1995年底至1996年初，经过反复论证认为，当时已出现了具有较高定位精度的差分GPS(DGPS)技术和广域差分GPS(WADGPS)技术，这些技术的应运而生使SA基本失去作用。在这种情况下，美国政府不得不作出让步。为阻止有些国家和国际组织建立类GPS系统，不使美国失去卫星导航的垄断地位，在军事上和技术上也不失去优势，在经济上不蒙受损失，美国前任总统克林顿在2000年5月宣布暂时取消SA政策，实施了一个较为宽松的GPS新政策，GPS改由国防部和交通部共同管理，把GPS作为一个国际性的导航系统，鼓励国际应用，加强国际合作。这一政策扩大了GPS的应用，发展到现在，全世界的民间用户已大大超过了军方用户，民用与军用比为20∶1，并从根本上改变了众多行业的导航定位格局及水平，为无数用户提供了便利和安全，导航技术的应用扩展到了国防建设及科学研究、国民经济的众多领域，对国家的发展和人民生活质量的提高产生了极大的影响。

作者  施浒立  中国科学院国家天文台 

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