互动科普

运行在数千英里外太空中的24颗人造卫星使得人们能以惊人的精确度确定自身在地球表面的位置。

这架波音737客机开始转向最后的进场航线，它顺畅地响应机载计算机自动驾驶仪的指令，为看来是又一次完美的着陆作好准备。尽管自动进场一般只是在恶劣的气候条件下才采用，但这架特别的飞机没有利用从机场发出的正规导航信号来完成所谓的ⅢA类着陆，这种着陆方式是在飞机接地之前飞行员看不见跑道的情况下采用的。而现在机上的乘员正在依靠高悬在头顶上空轨道上的美国国防部的全球定位系统的卫星。这些新式导航卫星环行在离地面20000多公里的太空中，据认为，它们能够引导迅速移动的飞机安全着陆。

随着这架波音737逐步驶近跑道，全球定位系统的信号显示，地面距飞机的起落架仅有300英尺，因而飞机放慢了下降速度。由于这一天已经完成了多次着陆，机上的工程技术人员便对飞机的卫星导航性能渐渐有了信心。然而这一次试图着陆时，自动驾驶仪突然发出了警报——全球定位系统导航设备同一颗关键的卫星失去了联系。于是，飞机的驾驶员迅速接管了计算机对飞行的控制，加大油门以避免一次可能是灾难性的着陆。

后来经过分析，为该机研制导航设备的工程技术人员认识到，这次信号的暂时失去是由全球定位系统卫星上的一个软件“错误”引起的。之所以在此之前未能发现这一缺陷，是因为这以前没有任何人依靠全球定位系统导航设备来完成如此艰巨的任务。事实上，全球定位系统的定位精确度在设计上本来就有100米(比足球场还长)大小的固有的误差。几年以前，几乎没有人敢于想象，全球定位系统能够一直为飞机导航直至着陆。然而在全球定位系统介入导航期间，一些巧妙的调整已使导航精确度提高到惊人的水平，如今全球定位系统所发挥的作用就连其研制者当初发射其第一颗卫星时也没有预料到。

    7O年代中期，美国国防部开始建设其精致复杂的卫星定位系统，以便让军用舰艇、飞机飞艇和地面车辆能够确定其在世界任何地方的位置。尽管全球定位系统设计者的原计划是主要将其用于保密的军事行动，但他们也为平民利用卫星信号定位作好了准备，只是其完善程度远不及军事用途。减低精确度对于非保密信号似乎是必要的，否则敌方就可以轻易利用全球定位系统的信号，而这精致复杂的卫星系统就不会给美国以任何军事上的优势。然而，值得注意的是，在美国武装力量以外工作的科技人员已经找到了避开有目的地降低全球定位系统信号精确度这一障碍的方法，而且平民如今所能达到的定位精确度比美国国防部当初所预计的要高得多。

    这样的精确度使得全球定位系统信号接收机可以引导游船进入大雾笼罩的港湾，可以指引小轿车在陌生的道路上行驶。全球定位系统现在甚至被用来跟踪在新加坡繁忙的港口货场间搬来移去的货物集装箱的位置。更令人难忘的是，如今地质工作者可以利用全球定位系统的观测设备测定小到几毫米的地壳的细微移动，它们可以显示出地球的构造板块的运动，并有助于确定地震易发带的位置和广度。

在全球定位系统使用过程中有时出现的失灵现象，与其说是该系统的失败，不如说它标志着非军方的科技工作者正在把全球定位系统推向其研制者从未企及的限度。美国国防部是怎样打算让平民无法利用其信号固有的精确性的? 为何会有如此之多的平民成功地避开了美国国防部对其信号精确度的禁限的? 要回答这些问题，就必须广泛了解卫星导航的一般原理和全球定位系统的具体细节。

早期导航系统与测距定位原理

1957年，苏联发射了人造地球卫星。此后不久，一些科技人员意识到，从精确确定的轨道上的一颗人造卫星上发出的无线电信号可以显示出一台信号接收机在地面上的位置。这种方法利用人造卫星飞过头顶上空时的无线电信号的多普勒频移定位。(当火车头从身边飞驰而过时，汽笛的音调突然改变就是由于同样的多普勒频移的原因。)60年代期间美国海军利用这种方法，首先采用了“子午仪”卫星定位系统。遗憾的是，美国海军所采用的这种方法相当麻烦。它需要在地面设置昂贵的电子设备，并且通常需要接收同一颗卫星两次飞过头顶上空时的信号，而这样就必须等待lO0分钟以上。即使是在最好的环境下，又有好几天时间来接收信号，你也不能指望这种系统的定位精确度能达到约1米以内，因此，事实证明，对于大地的精确测量，多普勒定位系统的作用相当有限。

然而，早在部署第一颗子午仪导航卫星之前，美国国防部就已开始仔细考虑一种更为精巧的定位方法，它应能使比方说驾驶喷气式战斗机的飞行员即刻确定自身的确切位置。美国空军当时正在规划一种导航系统，这种系统利用的是“测距法”——测量目标和几个卫星的距离的方法，而不是多普勒无线电频移法。

    从原理上讲，通过测距来确定位置的方法是简单易懂的。举例来说，假设你能确定，有颗卫星在20000公里以外的地方。那么，你的位置一定是在一个半径为20OOO公里(直径为40OOO公里)的环绕着该卫星的巨大球面上的某处。由于几颗卫星都是按稳定的可预测的轨道运行的，该卫星的位置以及环绕它的假想的球面就都是确知的。

假设在进行第一次测距的同一时刻，你还能测出你和第二颗卫星的距离，那么第二个“位置球”就也能确定出来。而找出你和第三颗卫星的第三个距离之后，你又能确定第三个球面，等等。一般说来，所有的球面相交于一处的情况几乎不存在。例如，两个球面的交线为一个圆，而三个球面则只能在两点上相交。由于这些点中的某一个一般是导航问题的不合理的解(它可能深入地球内部，或远在太空中)，要给出一个确切的位置，有三个卫星的测距就足够了。

对准你们的表

美国军方的设计人员在设计全球卫星定位系统时最初所面临的问题是，如何才能完成必要的测距。在那个初始阶段，有许多种选择方案。例如，可以利用雷达设备发射无线电脉冲信号，然后再在信号传到卫星并从卫星反射回地面时，接收反射信号。然后，计算机很容易根据测出的信号返回延迟的时间和已知的无线电脉冲的速度(即光速)，计算出和卫星的距离。

然而，这种卫星定位系统使得其使用者必须发射一束强大的雷达脉冲，而这样做对于试图避免敌方发觉自己的士兵，水兵和飞行员是不适宜的。因此，美国国防部研究了一种替代办法。导航卫星可以按特定的已知的时间发射无线电脉冲信号，而无线电信号接收机通过测定脉冲信号的确切到达时刻，就可以确定和卫星的距离。然而，这种方法要求信号接收机的时钟与卫星的时钟同步。这一概念成了全球定位系统的基础。

精确同步这一要求乍看起来也许显得相当艰难。小到1/ 1000000秒的误差会使定位误差大到300米左右。尽管每一颗导航卫星本身都可以配备一台高度精确的“原子钟”，但要让每一台接收机都作如此配备就未免复杂昂贵得无法接受了。然而，有个办法可以使人们不必在地面配备如此精确的钟表，那就是只要确定接收机的时钟与标准时间的误差有多大就行了。

这个问题解决起来并不特别困难，可以先假定接收机的时钟在计算和四颗卫星的距离上是大致准确的。由于事实上接收机的时钟不是完全准确的，因此算出的距离即所谓的伪距离也不是完全准确的。四个伪距离对应于四个假想的环绕着卫星的球面。从理论上讲，这四个球面应在一个点即接收机所在位置相交，但不会精确相交，因为卫星的时钟和接收机的时钟没有完全同步。所有四个球面将偏大一点儿(在接收机的时钟快了的情况下)或偏小一点儿(在接收机的时钟慢了的情况下)。然而，时钟的误差量存在着这样一个值，此值可以使所有四个球面精确相交。因此进行一些代数计算就能算出必需的矫正量。这样，即使是一台简单的接收机，只要它配有一台不比普通的数字式手表更复杂更贵的电子钟，就也能与卫星上的原子钟保持同步。

伪此伪彼

下一步，设计这一系统的军方的工程技术人员必须确定全球定位系统的卫星所发射的信号的精确度。说也奇怪，他们借用了一种从50年代起就为天文学家和其他人所采用的方法。这些科学家一直在通过从其巨型射电望远镜发射出的雷达脉冲研究其它行星，雷达脉冲的发射时间看上去似乎是随机的，但实际上却是按照精细制定的编码发出的。这些天文学家将这些特殊的步调信号称为“伪随机序列”。借助于伪随机序列，这些天文学家通过找到所收到的信号与所发射的伪随机序列似乎最吻合的时刻，就能测定从遥远的行星表面反射回来的微弱的雷达反射波延迟的时间。实质上，这些天文学家是通过测定两种信号最为密切相关的时刻来发现电波的传播时间(因而也就发现了雷达目标的距离)的。

注意到天文学家的上述成功之后，美国军方的工程技术人员为其新的卫星定位系统选用了类似的伪随机序列。然而，他们决定让全球定位系统的卫星连续不断地发射高频无线电波，而不是向地球发射间断的雷达脉冲。利用伪随机序列编码无线电信号带来了许多好处。几年以后船员和徒步旅行者将大加赞赏的一个好处是，它使得廉价的全球定位系统接收机的制造成为可能。这样，所有的卫星就都能按同一频率发射信号，而不会产生无线电干扰的混乱状况。由于每一颗全球定位系统卫星所发射的都是一种独特的编码，一台廉价的单频无线电接收机就很容易识别不同的信号。

美国军方的设计人员最后必须决定的是，将这些卫星置于何处。几乎所有的人造卫星都是置于两种轨道之一，或者是较近的绕地轨道(即所谓的低地轨道)，或者是定位于赤道上空约36000公里高处24小时对地同步轨道。低地轨道卫星每一次的发射费用相对较低，并且卫星的发射机只需要配备很少的电源，因为它们不必将信号发射太远的距离。然而若是采取低地轨道，要使信号能够覆盖全球就必须有数百颗分开的卫星环绕地球。相反，若是采取极高的对地同步轨道，所需要的卫星就要少得多但每颗卫星就得配备更强力的发射机，并且所发射的信号将难以到达地球的极地。

全球定位系统的设计人员选择了一种折衷办法——将卫星发射到既不是特别低也不是特别高的轨道，让其在离地面约20000公里的高度运行。在这样的高度，只要有17颗卫星，就足以确保地球表面的任何一个位置随时都能利用其中的至少四颗，从而达到了定位所必需的最低数量。全球定位系统采用的最终配置方案包括21颗主用卫星和3颗轨道上备用卫星。

有选择性的服务

由于美国国防力量打算利用这一新的卫星导航系统获得战术上的优势，从一开始他们就把无线电发射信号密码化了，以防止敌方利用该系统精确定位。然而美国国防部还是预先考虑了让平民至少也能以一种粗略的方式利用全球定位系统这一点。因此，该系统的设计人员便面临着这样的难题：一方面要限制民用的精确度，另一方面又要让美国军方能够充分利用该系统的潜力。有几种办法可以完成这一双重使命。一种办法是传达错误的消息，使未经授权的各方不知道卫星发射信号的确切时间。可以按照一种特定的编码改变卫星的原子钟，从而迫使全球定位系统的计时略有偏差。看来美国国防部正是用这种时钟“波动”来保证全球定位系统的安全的，他们称这种方法为“有选择性的可利用性”。改变后的信号使得所有平民都可以相当精确地确定自身位置，导航定位的误差不会超过100米，配有密码破译设备的军用接收机可以消除强加的时钟误差，而很容易迅速算出更为精确的位置。

然而，没用多长时间，对全球定位系统感兴趣的民用科技专家就找到了避开有选择性的可利用性的方法。在第一组全球定位系统导航导星发射之后不久，民用科技专家就找到了降低全球定位系统定位误差的办法，有时甚至使误差到了几毫米，从而使定位精确度达到了比该系统的军方设计人员当初料想可能的精确数千倍的水平。1980年的秋天，在马萨诸塞州韦斯特福德的海斯塔克天文台的停车场上，麻省理工学院的查尔斯·C 康塞尔曼三世及其同事在相当随便的气氛中，首次完成了对民用的这种能力的证明。

要显著提高定位精确度，海斯塔克天文台和麻省理工学院的科技专家就必须矫正全球定位系统卫星原子钟的误差。事实上，他们所采用的方法非常简单——在地面的一个固定点测量来自几颗卫星的信号。在知道接收天线的确切位置和卫星的位置的情况下，科技专家们很容易将伪距离(他们已测定)同实际距离(他们可以计算出)进行比较。这两个数据之间的差距即是卫星原子钟的误差，外加地面接收机的时钟的任何误差。这种同时测量几颗卫星的方法使得科技专家们能够确定地面的时钟误差，从而能够准确计算出每台卫星时钟的误差。

同样的方法如今也可以用来挫败有选择性的可利用性。可以利用一个固定的地面站确定卫星时钟的波动量，并且可以用无线电广播必要的矫正量。固定地面站附近的流动的全球定位系统接收机都可以利用矫正量计算出准确的位置。这种“差致的全球定位系统”方法使得美国军方以外的人可以利用价廉出奇的接收机确定自身位置，其精确度可达到一米左右。(更为专业化的全球定位系统接收机可以达到一厘米左右的定位精确度。)目前，人们可从许多地方获得差致的全球定位系统的误差矫正数据。令人难以理解的是，其中有许多正是由美国政府自身控制和经营的。例如，美国联邦航空管理局正在开始为飞机提供这类服务。美国海岸警卫队也在各大港口附近发布矫正数据。此外，几家商业公司除了向美国的大部分地区出售全球定位系统矫正数据，还向世界上其它一些地区提供此类服务。

    差致的全球定位系统的广泛可利用性激起了激烈的争论，人们质问美国军方为何要在和平时期继续花钱来使全球定位系统数据密码化，同时迫使美国政府的其它部门花费更大的财力解译误差信号和广播解译结果。具有讽刺意味的是，在最近的两大军事行动——海湾战争和美军入侵海地——期间，美国国防部竟然取消了全球定位系统的安全手段。他们之所以这样做，是因为没有足够的全球定位系统保密设备可用，而民用设备又比较容易弄到手。(许多美国部队都获得了这种设备，如果不是通过其它任何方式的话，就是打电话回国联系并用信用卡购买全球定位系统接收机的。美国军方指望敌方缺乏全球定位系统制导导弹，并且缺少邮购途径。)

前景

似乎时间每过去一周，人们都能找到灵活应用全球卫星定位技术的新方法。气象工作者目前正在测定大气层所引起的全球定位系统信号延时，以便有助于天气预报。农民正在利用全球定位系统测定每平方码土地的状况，以便最有效地分配肥料。全球定位系统正日益有助于船舶、班机、直升飞机、人造卫星乃至小轿车的导航。正在试验的背负式接收机最终将能引导盲人四处活动。事实上，目前全球定位系统的商业性应用已远远多于军事应用。在世纪之交到来之前，全球定位系统服务设备的出售每年将给美国经济带来约合10亿美元的收入。曾经是为军事目的而研制的全球定位系统如今正以空前的速度转变成全国的经济资源。在这个风云变幻的世界，人们不禁要严肃地问上一句：谁该掌握全球定位系统?