什么是全球定位系统？ 我们为什么需要它？ 不同的导航系统有什么区别？ 我们将在本文中讨论所有内容。
目前，GPS在我们看来已经是家常便饭、耳熟能详的东西，每个人都听说过，而且大多数人都在日常生活中使用。 这是我们在设备中使用的工具之一。 与此同时，我们甚至没有考虑它是如何工作的，它来自哪里，需要投入多少时间、精力和金钱来创建这个系统。 如今，GPS 信号接收器不仅 领航员、手机、智能手机、平板电脑、汽车，甚至健身手环和“智能”手表，它们的数据都用于工业、业余和专业运动、拉力赛和赛车，当然还有军事工业。 让我们仔细看看不同的导航系统。
什么是卫星导航？
卫星导航，或全球导航卫星系统，是一个传输全球定位和精确时间数据的卫星系统。 某些频率的无线电波用于传输信息。 接收器接收到这些数据后，将它们计算出来并显示我们所在位置的坐标，即经度、纬度和海拔高度。
除了基本系统（GPS、GLONASS、北斗、伽利略）外，还有空间辅助系统。 这些是所谓的卫星校正系统 (SBAS)，例如用于农业的 Global Omnistar 和 StarFire。
我们之上还有区域支持系统，例如美国的 WAAS、欧盟的 EGNOS、日本的 MSAC 和印度的 GAGAN，它们负责全球较小区域的数据细化。 这一切都是由地面组件支持的，我们稍后会讲到。 系统中有很多定义，我们不再赘述。
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卫星导航的种类
GPS 不是目前唯一可用的卫星导航系统。 有几种类型的卫星在我们头顶上方飞行，负责对我们放在口袋里、戴在手腕上或在导航仪中使用的设备进行地理定位。 为什么有多个系统而不是一个？ 我相信大多数普通用户都问过这个问题。 事实是，最初 GPS 系统是为军事需要而创建的，军方仍然控制着它。 这意味着他们控制着世界上每个人和每个地方的定位。 当然，很多人不喜欢这个位置，不仅是对手，甚至是朋友。 因此，认真的世界玩家决定开发他们的导航系统，以便他们的军队可以控制它们。 很快 GPS 类似物出现在世界上，相互竞争市场上最好和最准确的称号。 对于我们这些普通用户来说，这只是一个优势。 因此，让我们尝试分别处理每个系统。
美国GPS
这是我们最常使用的第一个导航系统。 当我们想到卫星导航时，我们通常使用术语 GPS。 美国的系统最初被称为NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System，简称NAVSTAR-GPS。
GPS 掌握在美国军方手中，或者更确切地说，掌握在美国太空部队手中。 所有设备都由位于科罗拉多斯普林斯附近的施赖弗空军基地并作为 GPS 总部的一部分运作的 Space Delta 8 检查是否正常运行。
民用应用只是军事应用的次要补充，对于军事应用而言，布局和最高定位精度是重中之重。 平民用户得到的版本略有删减，但仍然足够好。 我们不需要几十厘米的精度来驾驶汽车或跑步，但需要越来越高的精度，例如，在导航、制图、农业中监测田地、运输公司跟踪车辆和许多其他领域。 因此，GPS 系统不断变化、卫星优化不断发生也就不足为奇了。
在其使用过程中，该系统发生了变化并且仍在进行现代化改造，不时将具有更强大功能的卫星引入网络，而较早使用的旧卫星则随着时间的推移而被销毁。 它们中的大部分在大气中燃烧殆尽，有时碎片会沉入太平洋。
GPS 系统于 1993 年全面就绪，当时所需数量的卫星被送入轨道。 但早在 1983 年，罗纳德·里根 (Ronald Reagan) 政府就批准了该系统的民用使用许可。 这发生在苏联击落了一架错误侵犯苏联领空的韩国民用飞机之后。 然而，最初该系统对平民的精度限制在 100 米以内。 但即便如此，在当时也足以避免进一步的灾难。
从太空运行 GPS 系统还得到 WAAS（广域增强系统）卫星的支持，它提供必要的数据校正以提高系统的准确性。 它们位于北美（部分位于南美），由 FAA（联邦航空管理局）负责。 WAAS 旨在支持民用卫星导航应用。
俄罗斯格洛纳斯
GLONASS 是全球导航卫星系统的缩写，其工作原理类似于美国的 GPS。 GLONASS 由位于地球上空约 24 公里的 19 颗活动卫星组成，卫星绕轨道运行需要 100 小时 11 分钟。 该系统的测试始于 15 年，即回到苏联。 它实际上是为了响应美国的发展而创建的，在我们国家更为人所知的是“星球大战”。 苏联不想在任何事情上向美国让步，但“改革、公开、加速”做了他们的工作。 由于缺乏资金，工程大多被缩减。 虽然，正如后来证明的那样，并不是所有的东西都关闭了。 当 1982 年正式宣布 GLONASS 系统准备好运行时，这确实让美国人大吃一惊。 1993 年，俄罗斯人设法将整个星座的 1995 颗卫星送入轨道。
但一切并不是从一开始就那么美好。 九十年代的叶利钦时代也影响了太空计划。 没有资金，没有人对太空和卫星导航感兴趣。 结果，2002 年只有 7 颗卫星仍在运行。 然而，作为 2002 年至 2011 年恢复计划的一部分，俄罗斯人开始做生意，将改进后的 GLONASS-K 卫星以及配套的现代地面控制系统投入运行。
在现代化的下一阶段，即 2012-2020 年，主要关注改进 PNT（定位、导航和同步）的特性，以提高国家安全及其国防和民用系统的能力。 目前正在研制下一代卫星，称为 GLONASS-K2。
中国北斗
中国在2000世纪末开始研制卫星导航系统。 1 年，他们成功完成了 BDS-1 的第一阶段开发，也就是广为人知的导航卫星系统北斗一号。 作为该项目的一部分，中国和最近的外国都获得了定位系统。 下一步是 BDS-2，卫星网络覆盖亚太地区。 2020 年，作为北斗三号项目的一部分，北斗系统在全球范围内投入使用。
目前，有35颗卫星在轨，该计划总共已经进行了59次发射，有效载荷将下一代北斗系统送入轨道。 据中国当局称，超过 400 个机构和 300 万名科学家和技术人员参与了 BDS-000 计划的创建。 为了支持最新的卫星星座，已经建立了 3 多个地面站来监控系统的正确运行。 该系统的全球可用性估计为 40%，在关键的亚太地区甚至更高，也就是说，它在那里几乎可以完美运行。 此外，中国人为提高系统的准确性做出了很多努力。
北斗还允许最多 14 位（000 个汉字）的短文本消息。 此值还可能包括照片或录音。
与卫星导航系统的其他发展一样，本地用户为这项服务付费，但结果确实令人印象深刻。
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欧洲伽利略
伽利略系统最大的优势是什么？ 与 GPS 和 GLONASS 不同，它仍然掌握在平民手中，不属于任何特定政府，就像共产主义中国的情况一样。 该系统的构建只考虑了民用市场，因此人口的需求最终会影响其发展。 诚然，伽利略是军事化定位系统中的一股清流。 迄今为止，伽利略计划已完成28次发射，将30颗卫星送入轨道。 目前，该系统使用了完整的卫星星座，但并非所有设备都始终可用，其中一些设备仍在仓库中等待轮到。
地面处理部门位于两个中心 - 德国的 Oberpfaffenhofen 和意大利的 Fucino。 此外，该系统还包括一个由监测传感器、测量和数据传输站组成的全球网络。
由于所有这些系统的轨道越来越饱和，伽利略卫星位于更高一点，高度为23公里（最低的是GLONASS，然后是GPS，中国的北斗和伽利略金字塔的顶端). 每颗卫星环绕地球一周大约需要 222 个小时。 对于地球上的大多数地方，随时都有 14 到 6 颗伽利略卫星可用，这意味着非常高的精度，在大多数情况下以厘米而不是米为单位。
Galileo 与 GPS 系统兼容，进一步提高了测量精度，其运行也得到 EGNOS 系统（欧洲地球静止导航服务）的支持，该系统由地面组件和卫星组成，负责提高卫星导航系统的运行和精度.
日本 MICHIBIKI（道引）
为确保本国领土上导航的准确性，日本创建了一个小型卫星星座，称为准天顶卫星系统 (QZSS) 或 Michibiki。 在山区或高度城市化的地区，由于障碍太多，单靠 GPS 通常是不够的。 自 4 年 2018 月以来运行的 2024 颗卫星消除了这个问题。 其中三个仍在亚洲和大洋洲地区。 7年，计划达到由个单元组成的卫星星座。 这将进一步提高系统的整体效率，使其独立于GPS。 因此，日本将确保在其领土上的完全自治。
尽管与其他系统相比，QZSS 体积较小，但它满足了日本民众的所有期望，并且还支持位于穿过日本领土的子午线上的所有国家/地区的航运。
此外，日本还有一个名为 MTSAT 卫星增强系统 (MSAS) 的 GPS/Michibiki 精确支持系统。 它由 2 颗卫星组成，其中包括提供天气数据。
NavIC（印度星座导航）是印度的 GPS 模拟，也称为印度区域导航卫星系统 (IRNSS)。 该系统在达到其所有功能后，其操作将与日本系统相似。 目前，有 7 颗卫星在轨提供印度境内的定位，距离该国边界最远 1500 公里。 该系统不依赖于 GPS。
NavIC 由 GAGAN（带 GPS 的地球同步增强导航系统）支持，它由三颗额外的卫星和地面基础设施组成。 随着投入使用，EGNOS与MSAS系统之间的差距已经弥合，进一步提升了民航安全水平。
全球援助系统
在描述单个系统时，我们还提到了区域支持系统。 然而，超越区域边界的卫星导航操作也可以支持全球援助系统。 目前，可以区分其中两个。 它们是 Omnistar 和 StarFire。 两者都支持卫星导航，多用于现代精准农业的需求。 他们的使用需要特殊的接收器，因此农民在他的田地里移动时，可以以高达 5-10 厘米的精度工作（记录支持系统提供 1-2 厘米的精度）。 这种精确定位是作为一项服务提供的，需要为系统数据的交付直接支付额外费用。
该服务基于差分全球定位系统 (DGPS)，归结为使用位于指定位置的基站接收器。 汽车上的接收器除了接收卫星信号外，还接收来自固定基站接收器的校正信息。
Omnistar 是一家独立的公司，它的发射器可以用于各种机器，而 StarFire 系统来自农业设备制造商约翰迪尔，它提供内置或外部系统，精度可达 ±3cm，并与 GPS 和 GLONASS 配合使用。
全球定位系统如何工作？
在本节中，我们将使用原始版本（即美国版本）描述 GPS 的操作，因为我们目前拥有最多的可用数据。 其他人的工作方式类似。
GPS 卫星星座
一个相当密集的卫星网络对于在世界范围内的正常运行是必要的。 对于由 24 颗卫星组成的星座，我们可以确定在地球上的任何时间和任何一点，我们都在其中四颗卫星的范围内。 美国人通常承诺至少有 24 个在 95% 的时间内可用。 目前，该系统由 31 颗卫星支持。 地球被分成 6 个相等的区域，卫星经过这些区域，每个区域有 4 个区域要覆盖。
2011 年 24 月，发射了名为 Expendable 24 的改进型。27 颗卫星中的三颗，以及它们控制的区域，由一颗额外的卫星增强，以便在困难的地形条件下获得更快的信号捕获和更好的精度。 还进行了一些更改，以使整个 颗卫星网络尽可能高效。
GPS 卫星在高度约为 20 公里的可预测 MEO（平均地球轨道）轨道上运行，因此您始终知道它们的位置。 此外，还使用射电望远镜检查它们的位置。 地面控制网络由一个主控中心、一个备用控制中心、200个指挥控制天线和11个观测站组成，因此卫星的位置始终是已知的。 每颗卫星绕地球旋转一圈需要 16 个小时。
这一切在实践中是如何运作的？
轨道卫星不断传输无线电信号，这些信号由我们配备适当接收器的设备接收。 每颗卫星报告其位置和传输时间。 另外知道无线电波的传播速度，我们可以计算出与这颗卫星的距离。 如果我们从另外三颗卫星接收到额外数据并同时从四颗卫星下载数据，该设备将在来自所有卫星的数据的交集处计算我们的位置。
为了让事情顺利准确地进行，我们仍然需要准确测量信号发送的时间。 这是如何实现的？ 每颗卫星都带有一个原子钟——人类发明的最精确的计时器。 这种手表的准确度是多少？ 时间精确到百万分之一秒！
接收设备使用所有这些数据来有效地计算我们的位置。 但是整个系统还必须考虑狭义相对论等问题，狭义相对论是由一位广为人知的阿尔伯特·爱因斯坦先生撰写的。 物体离重力源越远，时间流逝得越快，所以需要对每颗卫星重新计算。 简而言之，这一切都相当复杂，但幸运的是，我们多年来一直在使用这个系统，我们发现它可以工作，而且工作得很好。
当然，系统的正常运行需要高素质人员的参与，其培训水平堪比航天控制中心。
全球定位系统：数十亿美元的项目成本
卫星发射进入轨道后，不会永远在那里工作。 旧版本的生命周期为 7,5 年，新版本为 12 年，最新的 GPS III/IIIF 系统预计在轨停留 15 年（美国版本系统的数据）。 在此之后，必须更换仪器，因此必须在无菌条件下制作新样品，然后这件艺术品才能进入轨道。
除了空间设备外，地面上还有监控设备和训练有素的人员负责控制系统。 改进地面组件的工作也在进行中，现在主要关注新的下一代操作控制系统（OCX）和相关子系统。 逐步引入更改，以免破坏整个 GPS 系统的运行。
大约 1,7 亿美元（2020 财年）用于支持整个系统。 对于 2021 财年，开发商要求美国国会拨款 1,8 亿美元用于维护 GPS 系统的费用。 因此，鉴于这样的数额，只有最大的国家有能力维持一个自治系统，其余国家必须使用现有的系统。 为了显示该计划的成本是如何增长的，我们只能说 2012 年是 750 亿美元（我们甚至没有考虑通货膨胀、计算方法及其水平）。
屏蔽GPS容易吗？
GPS 系统在军队中的黄金时代正在慢慢被遗忘。 卫星信号的衰减和干扰变得越来越普遍，因此，仅基于空间数据的精确武器不再像以前那样有效。 这个问题不仅影响武器本身，还影响飞机、轮船、陆地车辆和任何其他配备 GPS 接收器的设备。
我们不止一次看到在地球上的“热点”区域阻挡 GPS 信号的例子。 碰巧港口或航行中的巨型船只，例如在黑海，突然从地图上消失并出现在 30 公里外的地图上，这与俄罗斯人在该地区的行动有关。 继续这个话题，应该说类似的措施经常在叙利亚举行，以确保俄罗斯在该地区的基地运作。 甚至以色列也受到这种干扰，GPS 有时会工作得更差，这是一个严重的问题，例如对于民用空中交通。
干扰 GPS 信号并不是特别困难。 位于受保护目标附近的适当功率和频率的无线电发射器会阻止 GPS 接收器接收正确的数据。 卫星制造商正试图通过开发更多抗干扰信号来解决这个问题，这些信号配备了最新版本的设备。 不过，这是一场猫捉老鼠的游戏，优势在驱逐舰一方。 他们可以以更低的成本和更强的能力更快地响应变化。 毕竟，卫星不会在一周内发生变化。
除了阴险的目的，GPS 封锁手段也被用来保护国家元首。 俄罗斯人特别喜欢这样的工具也就不足为奇了。 普京的行动尤其如此，他们极力隐藏这一点，以至于在他所在的地区，所有导航系统可能在一段时间内根本无法工作。 俄罗斯人尽可能地保护他们总统的旅行路线，因此通过封锁导航系统，他们试图至少部分地排除无人机袭击。
尽管存在上述问题和不足，但我们不应该期望军方放弃GPS系统。 相反，将加强与干扰系统的斗争，并将在设备和武器中增加额外的系统，以防止干扰 GPS 信号。
惯性导航将继续改进，精确武器将始终保留另一种同样有效的瞄准方法。 目前，正在对此类解决方案进行大量工作。 人们谈论图像导航、天文导航（回到过去？）和磁异常导航。 高科技！ 因此，我们还有很多有趣的事情等着我们。
民用卫星导航
但是普通用户对军方那里有什么不是很感兴趣。 我们希望 GPS 帮助我们确定我们的位置，以便 航海家 正确规划登山、晨跑或驾车旅行的路线。 现在很难想象没有这些设施的现代人的生活。
原则上可以说，即使我们不直接使用GPS，也就是不自己打开接收器，我们仍然可以使用它。 系统独立运行，它已经成为我们生活中熟悉、方便和必要的一部分。
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