MapLab：GPS的秘密历史 - 彭博社

一款Garmin卫星导航系统在2007年10月31日在英国诺福克的一辆汽车中规划路线。摄影师：彭博新闻

指出全球定位系统在现代生活中是多么普遍几乎已经成为陈词滥调。如果没有至少轨道高度为12,550英里的24颗GPS卫星，你的Doordash订单、Google地图导航、Uber乘车和亚马逊快递将无法实现。可靠的金融交易、国际航空、精准的天气预报、先进的搜索和救援技术也将无法实现——列举不胜。

然而，我们如何获得全球定位系统的故事却鲜为人知。今年是这项技术诞生的50周年，或者至少是其漫长孕育过程中的一些关键时刻。1973年4月，时任美国国防部副部长威廉·克莱门茨签署了一份备忘录，批准了国防导航卫星发展计划，最终建成了后来被称为Navstar GPS的系统。其目的是让美国军方能够在全球范围内导航并精准定位武器，利用卫星上的超精确时钟。

一颗GPS III卫星的效果图，是最新一代的GPS卫星，绕地球轨道运行。来源：GPS.gov空军上校布拉德·帕金森被选中领导负责该项目的联合计划办公室，1973年劳动节周末，他和十几名军官在五角大楼一个闷热的会议室里开会，商讨最佳方案。这次会议因周围空无一人的停车场和黑暗的办公室而被称为“孤独走廊”会议，成为了空军传奇中GPS的起源故事。国家空间定位、导航和定时协调办公室主任哈罗德·W·马丁三世表示，那些军官在那个周末制定的基本系统很大程度上仍然沿用至今，该办公室支持联邦机构领导委员会，帮助指导GPS的发展。

简而言之，它的工作原理如下：GPS卫星组中的每颗卫星都携带着一枚极其精确的原子钟，这些卫星由美国太空部队维护和更新。这些卫星发射射频信号，携带着两个关键信息：卫星当前的位置（即纬度和经度）以及其携带的钟表时间。

这些信号以光速传播到达地面上的GPS接收器。根据这个恒定的运动速率，接收器可以通过计算每次接收到信号时卫星钟表时间与本地钟表时间的差异来判断卫星的距离。如果至少有四颗卫星在头顶（目前的24颗卫星组合，再加上一些额外的卫星，几乎可以保证），接收器可以使用三边测量法来确定自己在地球上的位置。在95%的时间里，系统的精度在七米之内。

“如果你想象一下埃及的金字塔，然后把大金字塔倒过来，底座的四个角就是天空中的四颗卫星，” Martin说道。“通过观察这些视线角度，你的接收器就会在底部的点上，然后你的接收器就能告诉你你在哪里。”

24颗卫星GPS星座的图表。来源：GPS.govGPS的黄金周年纪念今年得到了官方认可，由马丁办公室主持。但许多基本概念早在传奇的1973年会议之前就存在。不同军种的平行努力自上世纪60年代以来一直在进行，比如海军研究实验室的Timation系统，该系统测试了在太空中使用同步原子钟进行导航的方法。对卫星导航系统的兴趣可以追溯到斯普特尼克的发射，当时美国科学家发现他们基本上可以利用多普勒效应的原理来跟踪苏联卫星发射的无线电信号。50年前从五角大楼出台的计划汇集了那些早期先驱的设计。

但要想得到我们今天理所当然的超精密技术，需要进行大量的科学辩论。上世纪70年代的一个争议是相对论在GPS中的作用。简而言之，爱因斯坦的理论是关于重力如何影响时空连续性的：你离地球越近，重力的吸引力就越强；进入轨道后，它就变得越弱。这会影响时钟的运行速度；地面上的时钟比太空中的时钟走得更慢。另一方面，另一个相对论效应表明，移动的时钟比静止的时钟走得更慢。弄清楚这些效应中哪一个会主导卫星的性能变得至关重要。如果美国军方未能纠正这些差异，将会导致每天高达10公里的定位误差。

“归根结底，我们有运动中的时钟和不同相对引力强度，”麻省理工学院的物理学家和科学历史学家大卫·凯撒说。“根据相对论，它们会以不同的速度滴答。因此，我们在GPS中需要担心的整个问题是比较来自处于不同引力状态下运动的非常敏感时钟的宣布时间。”

GPS控制部分的地图，该部分由“全球地面设施网络组成，跟踪GPS卫星，监视它们的传输，进行分析，并向卫星群发送命令和数据，”根据GPS.gov。（NGA代表国家地理空间情报局；AFSCN代表空军卫星控制网络。）来源：GPS.gov凯撒表示，军方花了几年时间来解决如何考虑这些复杂情况。但到了1978年，第一颗11颗Navstar GPS卫星中的一颗正式发射。1983年，在韩国航空公司007航班在苏联领空被击落后，罗纳德·里根总统宣布计划向民用开放GPS。到了1990年代，GPS被宣布在全球范围内完全运作，拥有24颗卫星，并且每年都在进行现代化和更新。如今，由于互联网和智能手机，全球约70亿个GPS接收器与美国、欧盟、俄罗斯和中国等国家的卫星进行通信。

- 劳拉·布利斯

地图链接

• 美国在预期寿命上的惊人党派分歧（Politico杂志）
• 如果您的日常通勤路线向杰出的女性和非二元人士致敬，会是什么样子？（伦敦女性之城）
• “多次投诉”：家庭起诉谷歌，因父亲驾车冲下桥梁（CNN）
• 在三个南方州，政治地图引发法律战斗（纽约时报）
• 乌克兰地图：追踪与俄罗斯的战争（BBC）
• 为拯救美国的本土蜜蜂，俄勒冈蜜蜂项目正在绘制每一只蜜蜂的地图（神秘地图）
• 内塔尼亚胡因在联合国使用大以色列地图而受到抨击（耶路撒冷邮报）

更多来自彭博城市实验室

• 城市实验室每日简报，由城市实验室编辑精心策划，为您呈现城市热门故事和想法
• 城市实验室最受欢迎，为本周由彭博城市实验室发布的最受欢迎故事

并在Bloomberg.com上注册获取更多彭博通讯。