未来十年，“全球定位系统”（GPS）的性能将会大大提高。高级GPS技术不仅能确保更高的可靠性和安全性，而且，它还会提供更为精确的地理定位服务：精度可达1米以下。当然，性能提升是以一系列系统升级为基础的，包括附加卫星信号，提高广播功率，实行性能监控，控制误差界限，采用具有方向选择性和接收信号能力的智能天线，以及与电视网和移动电话网结合。
下一代GPS投入使用，将会开辟令人振奋的广阔应用新领域。地理定位的覆盖范围将从旅游小路、海运航线，一直延伸到城镇、室内，直至那些通常接收信号微弱的地点，比如树干下。很多行业诸如航空业、海洋和陆地运输业、电力、电信、建筑业、矿业、测绘、以及农业都将从扩大的GPS服务中受益。地理学者和地球科学家也将如此。同时，与最早设计者的初衷一致，军事用户是最大的受益者。如：改进的GPS系统具有更高的可靠性，因此可以确保飞机能在零可见度的天气下自动降落，或者可以使美国海军飞机在黑暗中安全降落在颠簸的甲板上。在未来几年里，它甚至可能被用于保障行驶在自动化高速路上的轿车和卡车里的乘客安全。
1978年，美国国防部发射了第一颗Navstar导航卫星，标志着GPS计划开始实施。尽管设计者希望发展它的民用和商用功能，但当时他的主要目的却是保障约4万个军事用户无论在陆地、海洋、还是天空都能实现高精度导航。1980年代，GPS系统进入民用领域。1990年代初，GPS系统卫星轨道星座达到提供连续服务所需最少的24颗，其市场化应用才迅速扩张。
今天，GPS拥有3000万固定用户。接收设备用于协助地面车辆、轮船，甚至小渔船导航，对出租车辆和公共汽车进行调度管理，还可用于休闲娱乐（参见《GPS寻宝记》，Mark Clemens，《科学》，2004年4月）。民用接收机的月销售量已达20万以上。根据一家市场调查公司Frost & Sullivan最近的调查，2003年GPS设备在全球创下了近35亿美元的销售额，2010年以后，每年市场销售额将有望增加到100亿美元。这些数字还不包括用于建设、发射和控制卫星，以及GPS相关企业，如运输车队的管理。研究表明，在GPS设备的销售额中，普通消费者占据略大于50%的份额，商业用户占40%，其余的是军方（8%）。
在太空中，美国的全球定位系统Navstar卫星并不孤独，与之共用同一个物理和功能空间的还有俄罗斯GLONASS导航卫星。几年后，欧洲的伽利略星座也将挤身于这一行列。GLONASS系统是由前苏联在冷战时期为与美军对抗而建立的。但是后来，由于运营商无法支付卫星的后续费用而废弃。欧洲共同体的伽利略系统有望在这十年后期投入使用。在可预见的未来，GPS系统将广泛用于轿车和移动电话，这必然带来终端用户市场的空前繁荣，也正是吸引全球定位系统上马的原因所在。无论欧洲还是俄罗斯都相信，他们应该在这一市场中占有一席之地。最近GPS和伽利略系统的管理层，就两系统之间如何互联达成了一致。
GPS接收机采用三边测量法（类似于三角测量法），每次通过空间至少4颗GPS卫星发射的测距信号来精确测量它与卫星之间的距离[参见61页图示]，从而确定它在地球表面所处的位置。实质上，特定编码无线电信号就像看不见的尺子一样，测量卫星与接收机之间的距离。
典型的100美元手持式接收机的精度在使用者实际位置的5米到10米以内。更昂贵的军用GPS设备定位精度可在5米内。另外，双测量观测通过接收机获得附近已知坐标的固定接收设备的误差修正信号，使定位精度可达到0.5米。这种双测量被称为差分GPS。
要预知GPS未来的发展，让我们首先来回顾一下它目前的运行情况。GPS卫星发射的下行数据就像缕缕阳光，每颗GPS卫星发射500瓦信号，这个功率相当于5个白炽灯。这些测距信号经过2万千米的空间旅行，到达地球表面后，它的功率密度只有10-13瓦/米2，相比而言，家用电视接收到的电视信号功率是它的10亿倍。
GPS卫星发射两种不同的信息。一种是导航信息，包括确定卫星在轨位置的数据位和发射信号的时间。这些空间和时间坐标经过GPS系统地面控制部分处理。也就是说通过已知参考点的GPS接收机网进行修正后，这些数据传给卫星并打包成导航信息，再发送给所有终端用户。
GPS卫星发射的另一种信息是一系列测距码，是一种经过特殊排列的数字脉冲序列。从传统意义上来说，这些编码并不携带任何数据。实际上，这种编码用于帮助接收机测量入射信号的到达时间，这是精确定位的关键。工程师们强调这种测距信号具有与众不同的特性，这些所谓的伪随机噪声（PRN）码是由一系列片段，而不是数据位组成。
每一串伪随机噪声码序列就像乐曲中的音符。可以这么说，卫星和接收机精确同步地播放同一首歌曲。用户可能听到了这首歌（或者说PRN码）的两个版本，但卫星的演唱由于声音要经过从轨道到地球表面的旅途，因而有所延迟。如果用户能用秒表测量这两个版本的乐曲到达同一个音符的时间差，那他就能够确定声音穿越太空花费的时间。用这个时间乘以音速，就可以计算出接收机距离卫星的距离。
GPS系统中接收机监控卫星所发射的PRN码的工作过程与此类似。接收机为接收到的测距码序列（音符序列）分配一组独特的PRN码序列的复制序列，从而估计卫星无线测距信号到达接收机的时延。然后接收机将上述时延与光速相乘，计算出它与卫星的距离。
这样，接收机通过每颗卫星伸出的虚拟尺测出了距地球的距离。PRN码为这个无线尺子加上了刻度，而定位信息描述卫星的位置，类似于尺子的终点。如果GPS单元在理想时钟的控制下工作，那么它的三维测量将能使接收机处理三维位置信息：包括经度、纬度和海拔高度。在理想时钟的协助下，单边测量将置于以卫星为球心，预先规定好半径的球面上。两个这样的球面将目标点的位置界定在其相交区域，三个则可以准确地将其确定为一个点。因此，为了确定三个未知量：经度、纬度和高度，接收机需要解三个方程。
实际上，理想时钟是不存在的，因此GPS接收机必须同时解第四个方程，来确定第四个未知数，即GPS内部的廉价时钟与GPS网络时钟的误差。GPS网络时钟采用原子时钟，其误差在十亿分之一秒之内，但GPS接收机的钟漂要远远大于原子时钟，每天就会产生1秒甚至更多的误差。钟差乘以光速（30万千米/秒）可以得出测量距离误差。钟差将一个未知数加在了每颗卫星的测量结果上，这就解释了为什么这种距离测量成为伪距测量。值得庆幸的是，所有卫星的钟差都相同，因此，四颗卫星测量使接收机可以通过四个方程求解四个未知数：经度、纬度、高度和时间。
因为移动着的用户位置变化迅速，因此目前的GPS接收机还必须监控输入信号的多普勒频移，即运动引起的接收信号波长的偏移。如果用户向远离卫星的方向移动，波长就会变长；用户朝向卫星移动，收到的信号波长会变短。我们可以把每颗卫星看作经过用户（接收机）的火车，火车越来越近时，汽笛音调就会升高，火车驶向远处，音调降低。对多普勒频移的监控，有助于GPS设备更直接、准确地估计用户的速度。
没有发射任何信号，GPS接收机能够完成复杂的全球定位任务，真是非比寻常。这种GPS接收机将来一定会安装在移动电话网中，而且将会非常便宜，每个不足5美元。
GPS卫星的星上发射机通过标准射频波（RF）发射信号。射频载波采用典型的正弦波，其频率指的是每秒的周期（包括一个波峰和一个波谷）数。目前的GPS技术使用两个频带：L1和L2，在无线频谱中属于微波波段。尽管军方也使用L1波段，但通常这一波段用于传输民用信号。L1波段对每个人都开放，并支持当今绝大多数的民间应用。L2波段主要为军方服务。虽然L2波段也被允许民用，但军方的PRN码对普通用户却是保密的，这一空白使L2波段民用受到限制。例如，当民用接收机接收低轨道卫星的L2信号，或者被一些小障碍物，比如树遮挡时，就会遇到困难。而且，为了在PRN码未知的情况下接收L2波段的信号，L2波段的GPS接收机需要特殊的信号处理技术，因而价格昂贵。
基于以上原因，绝大多数民用接收机都只使用L1信号。这样，其典型的定位精度为5到10米，误差范围很大程度上由地面以上70千米到1300千米，其至更高的电离层中的带电粒子引起的。这层导电外壳减慢了来自GPS卫星的无线电波的传播速度。就像玻璃杯中的水弯曲或折射浸入其中的铅笔影像一样。根据情况，电离层可使电波的到达延迟1到10米，甚至更多。
为了补偿电离层延迟，有些用户采用7差分GPS，或称D-GPS，差分GPS技术需要两个GPS接收机，一台移动设备和一台放置在已知位置的参考设备。参考设备将其与卫星的测量距离与计算距离差值发送给移动接收机，移动接收机则根据这些数据修正测得的位置信息。移动接收机跑参考接收机相对较近时，D-GPS测量最准。在100千米范围以内，由于从卫星到参考接收机和到
移动接收机的无线电波束经过了相同的大气障碍，因而电离层延迟误差几乎可以被完全补偿。
从2005年开始，GPS卫星将开始发射新信号来增强其服务的可靠性，并通过消除电离层误差协助调整定位精度[参见62页图]。两种军用信号将被添加在L1和L2波段，另一种民用信号也被补充进了L2波段s现行的信号还会继续工作，以确保目前的接收机未来仍能运转良好。到2008年前后，经过改进的GPS卫星将发射更多称为L5的第三频率波段民用信号（L3和L4波段为军方传送非导航信息）。新的L5信号强度将是今天的4倍。
增加的信号使单一接收机能够计算出电离层引起的传输延迟，减小误差。例如，L1信号经过不均匀电离层引起的延迟与L5信号引起的不同。未来的接收机能够先比较来自L1和L5的信号，通过计算结果估计电离层密度，并补偿其影响。一些昂贵的民用GPS接收机力图用这种计算，来利用目前的L1波段民用信号和L2波段军用信号。由干民用信号将会采用公开编码，目前由双频信号处理引起的操作缺陷将会消失。这就意味着双频，甚至三频接收机将会成为普通和商业用户的标准。
D-GPS的使用者也将从新信号中获益。刚才提到过，当用户离开参考接收机时，由于从卫星到用户的无线电波束穿过电离层的点，也在逐渐远离从参考波束穿越这个等离子层的点，因此D-GPS的精度就会降低。采用多个频段，移动接收机将能够自主估计电离层，而D-GPS修正可以用于减小其他（更小的）误差。未来D-GPS用户将能获得30厘米到50厘米的精度。
对当前GPS精度要求最高的用户有：测量员、科学家和农场主，他们需要厘米，甚至毫米级的精度。这种精度要求超越使用PRN的高级D-GPS架构，也就是跳过PRN码，测量来自卫星的GPS信号的载波到达时间。
这些携带GPS信号的射频波是正弦微波。单个周期的波长（两个相邻峰值之间的距离）是19厘米。接收机可以以百分之一的精确度测出到达时间，这样的分辨率相当于穿过1或2毫米的距离，这是高端用户要求的水平。但载波测量是模糊的，也就是说，接收机无法区分到达的周期。除非能够唯一确定所跟踪的是哪个周期，否则这种测量误差将与多个波长测量的误差相同。
这个难题就像用高精度的尺子测距一样。与粗刻度不同，精刻度的距离非常近，因而也就更加精确，但由于它们并不是单独刻的，因而不清晰。幸运的是，通过一种特殊过程可以将粗略、分辨率为30厘米的标准D-GPS与所希望的精细、分辨率为2毫米的载波清晰联系起来。在这个过程当中，产生一个适当分辨率的中间长度测量比例尺将以上两种联系起来，这个联系以上两种测量的统计得出的桥梁是在中间刻度的基础上建立起来的，关于这一点将在以下说明。
为了更好理解这一点，我们来打个比方。前面已经讲过，PRN码可以看作一首乐曲中的音符序列，其中每个音符都不同，而且可以唯一确定。载波测量就像乐曲中的鼓点，每个音符包含很多个鼓点。如果只听鼓点，我们就很难确定听到的是歌曲的哪一部分。关键是要用音符来确定是哪个鼓点。对于GPS，这是个困难的任务：每个音符（或PRN码片段）的起始点可以通过30厘米的精度来确定，每个鼓点（载波波长）持续19厘米。这些鼓点若仅相隔19厘米，就太近了，难以区分，30厘米精度的PRN码是无法区分它们的。
要确定单个鼓点，我们需要另外一个鼓手，以较低速度打鼓。高级GPS接收机通过L1和L2的载波相乘产生所谓的打击频率，从而创造出了这个更慢的击打。这个操作也可以与音乐来类比。当一个乐器同时演奏两种音调时，听众能听到原来的音调，但也能听到原来两种音调都不同的新音调——打击频率。由于新频率等于差分频率，当然也就比前两种音调都要低。频率低意味着波长长。在GPS系统中，差分频率的波长是85厘米，系统能以分辨率约为8厘米的精度对其进行测量。这个波长足以解决精度为30厘米的接收机码的测量。这样，采用该技术的昂贵接收机便可满足顶级用户的需求。
在即将加入的GPS信号的帮助下，从PRN码片段到底层载波周期计算出的桥梁信号将更强：像新的L5波段一样，民用接收机也可以在L2波段使用开放的码字。接收机将能够处理三种打击音符（L1减L2，L1减L5，L2减L5），如此便可以提供由PRN码片段到载波周期的几种不同路径，从而大大提高全球定位精度。
GPS用于航空导航
要知道改进后的GPS对现实世界将意味着什么，我们来看看联邦航空局（FAA）的新型航空导航技术，在这项技术中，可靠性显然是极其重要的。这一创新系统已经部分上线，即使恶劣的天气使能见度为零，飞行员也能够在GPS的引导下安全着陆。要安全无误地完成这个任务，仅仅要求导航精度是不够的，还要有两项保证。首先，飞行员必须清楚所有情况下可能的最大定位误差（也就是说误差条图）。例如，在最后到达之前的操纵中，飞行员能允许的定位误差不超过10米。其次，用户需要保证在整个导航服务中他们的导航系统不会出现中断。
联邦航空局（FAA）已经开发两套基于D-GPS的系统，为定位数据提供实时误差限制。这些系统包括用于不间断监控GPS测量的接收机网络，其工作独立于地面控制站部分。
2003年开始运营的广域增强系统（WAAS）依赖分布全国的传感站网络，来评估GPS的性能[参见64页图示]。这些监控站就像D-GPS的参考站，事实上，WAAS也确实产生修正数据以提高精度。但是，该系统还对来自各个站的位置修正数据进行比较，得出对航空导航至关重要的误差界限，然后利用定位卫星中继信号为飞行员提供保障。如果需要，WAAS还能够在7秒之内调整传输的误差范围，系统能够确定飞行器的高度，并协助引导飞行器降落至91.4米。欧洲、中国、日本、印度、澳大利亚和巴西的工程师们也正在致力于类似系统的研究。
飞行器继续降落，距地高度进一步降低，WAAS停止工作，地面系统启动，接替WAAS领航飞行器。局部增强系统（LAAS）能够及时使飞机在零能见度下完全自动地着陆。因为这一系统只在飞行器距机场较近时使用，所以它只需使用一个短程无线系统发射修正和误差界限信号。LAAS与联合精确进场与着陆系统（JPALS）密切相关。JPALS系统正在发展中，它引导飞行器在航空母舰颠簸摇晃的甲板上着陆。在最后到达阶段，海军飞行员必须将飞行器与移动甲板的相对高度控制在1米以内，以确保吊在机尾的拖勾能够抓住捕获电缆。
海军工程师正试图通过JPALS使航空母舰着陆更加容易和安全，他们在航空母舰上安装了D-GPS参考接收机。LAAS和JPALS系统都是双频系统，具有满足航空导航的高精度要求的两种GPS频率。JPALS可以使用现有的L1和L2波段的军用信号。
尽管上述改进将会使GPS更加普及，但美国政府已经开始计划下一轮更深人的卫星导航技术改进，也就是GPS III。升级背后的动力是获得更高的可靠性和精度，确保抗干扰和信号阻塞能力更强，推动采用全球定位业务或更为精密的基于GPS新应用，如智能高速公路和交通安全系统。结果，波音公司与合作伙伴洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）和Spectrum Astro宣布竞争这个最终投资几十亿美元项目的合同。第一颗GPS III卫星预计将在下个年代初发射。
[高娟/译 杨光/校]
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