GPS再厉害，我们还是要有自己的北斗

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政府，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。于是，其它国家纷纷着手研制自己的卫星定位系统。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。

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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。

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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2.3GPS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。3
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：

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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：

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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。

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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。
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GPS信号的发送首先，让我们考虑一下GPS定位需要哪些条件： 1.要测量卫星到目标的距离，必须有特定编码格式的信号可供GPS接收机捕获，这就是测距码。2. GPS接收机必须知道至少4颗卫星的精确位置和精确时间，这些数据需要编码为导航电文，由卫星源源不断地向下来发送。3.要发射上述有用信号，必须使用一段较高频率的电磁波作为工具来运载，这就需要载波。

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在传统的GPS信号中，测距码分为两类：C/A码和P码。它们都属于伪随机噪声码，就像随机噪声一样，不使用特定的接收机来接收，是感受不到它们的存在的。C/A（Coarse/Acquisition）码又被称作粗码/捕获码，这是一种公开的明码，可供全球用户免费使用。但就像它的名称一样，提供的定位精度有限，所以只能民用。P（Precision）码又被称作精码，可较完善地消除电离层延迟，故用它来测距可获得较精确的结果。P码是一种结构保密的军用码，经加密后也叫做Y码或者P（Y）码，美国政府不提供给一般GPS民用用户使用。下面我们说导航电文（也叫数据码）。导航电文主要包括卫星的星历，卫星历书，卫星时钟，以及卫星的健康状态等参数。

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卫星星历：由于卫星无时无刻不在围绕着地球运转， GPS接收机怎么知道它的详细位置（三维坐标）呢？这就要靠星历表，里面有发送信号的卫星在哪个轨道，以及每个时刻的精确位置。它是由分布在全球的16个监测站对卫星进行跟踪观测，并由主控站进行计算的，每两小时更新一次。卫星历书：所有卫星的粗略的卫星轨道参数，更新周期较长，使用历书计算卫星位置只能达到公里级的精度，其作用是方便GPS接收机搜寻卫星。卫星时钟：卫星时钟：每颗GPS卫星上都装有高精度的原子钟，其时钟是精准的。

规定GPS与协调时UTC的时刻与1980年1月6日0时相一致。其后随着时间的积累两者之间的差别将表现为秒的整数倍。有了这些数据，需要把它们都调制到载波上才能发射出去。传统的GPS卫星有两个工作频段的载波：L1和L2 。L1载波的频率是1575.42MHz ， L2载波的频率是1227.60MHz 。卫星内部时钟的频率是10.23MHz ，其他频率都将由此生成。将其乘以154 ，便得到L1载波，将其乘以120 ，便得到L2载波。L1载波主要是民用的，它能发民用信号C/A码和军用信号P码，而L2载波是军用频段，只能发军用的P码， P码比C/A码的保密性要好得多。

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随着GPS卫星的现代化， GPS发送的载波和信号不断增加，能力也不断增强。2003年以后， L2载波也可以发送民用信号了，称作L2C 。使用双频的GPS终端将获得更高的定位精度。2005年以后，又增加了一个新的民用载波，频率为1176MHz ，称作L5 ，它在专门为航空安全服务，具有更大的带宽和先进的信号设计，飞机可以同时使用L1和L5来提升定位精度。除此之外，在L1和L2载波还新增的新的军用码：M码。2018年以后，在最新发射的卫星上还增加了第四个民用信号：L1C ，专门用于和其他GNSS系统（前面讲到的GLONASS ，伽利略，北斗等）进行交互。

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在这些信号的加成之下，支持GPS普通的的智能手机在开阔地的定位精度能达到5米以内，专业的高端双频GPS接收机能达到厘米级别的实时测量精度，长期测量精度甚至能到毫米级别。5
基站GPS时钟同步基站内部的GPS接收机收到并解调GPS信号中的定时信息之后，再结合自身的晶振，会输出一个关键的信号：1PPS ，专门用于网络同步。1PPS的全称是1 Puls Per Second ，意思就是秒脉冲，它每秒固定输出一个方波，精度可达±20纳秒，用于5G基站同步完全不在话下。

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目前商用的4G网络以FDD模式为主，大量使用了IP时钟1588v2 ，在5G时代，这种依赖于传输网络层层传递时钟的方式，虽然理论上可行，在实际应用中却由于各种限制，精度难以满足5G同步要求。

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因此，以GPS为代表的GNSS系统，在5G时代又重新大放异彩。北斗，也在润物细无声地潜入我们的生活。好了，本期的内容就到这里，希望对大家有所帮助。
责任编辑：xj
原文标题：GPS再牛，我们还是要有北斗
【GPS再厉害，我们还是要有自己的北斗】 文章出处：【微信公众号：中科院半导体所】欢迎添加关注！文章转载请注明出处。
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