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技术 / 交通与航天 / global-positioning-system

全球定位系统

由美国所有的卫星导航系统，接收机通过轨道卫星广播的无线电信号计算位置、速度和时间。

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时间狭义相对论广义相对论光速冷战牛顿法普通最小二乘法线性代数全球定位系…

全球定位系统（GPS）是一种基于卫星的无线电导航系统，归美国政府所有，由美国太空军运营。位于地球表面或近地表的接收机通过测量来自数颗卫星的无线电波的传播时间，确定自身的位置、速度和时间。每颗卫星都会广播自身的轨道和时钟信息。GPS是使用最广泛的全球卫星导航系统，任何拥有兼容接收机的人都可以免费直接使用。

GPS之所以重要，是因为现代交通运输、物流、测绘、电信和金融活动大量依赖它提供的精确定位和时间信号。它的设计也是应用物理学的一个典型案例：卫星时钟必须同时修正狭义相对论和广义相对论带来的效应，系统还依赖原子钟以及光速的恒定性。该计划始于冷战时期，并于1995年达到完全运行能力。

本词条涵盖基本定位原理及系统的三大组成部分、其信号与计时方式、使其精度得以实现的相对论修正和误差修正，以及增强方法。随后追溯从早期前身到现代化计划的历史，包括2026年4月取消OCX地面系统一事。词条还涉及治理、其他全球卫星导航系统，以及主要的民用、科学、授时和军事应用。最后讨论干扰与欺骗等脆弱性、经济意义以及隐私问题。据报道，在役卫星数量约为31至32颗，具体取决于来源以及备用卫星的计算方式。

定位原理：基于信号传播时间的三边测量

由传播时间得到伪距

每颗卫星都持续播发一个无线电信号，其中包含根据卫星星载时钟读取的发射时间。接收机记录检测到信号的时刻，并将两个时间相减得到传播时间。乘以光速即可得到估计距离。由于接收机时钟与GPS时间并非完全同步，这个距离并不是真实距离，而是伪距，其中包含所有可见卫星共有的时钟误差。光在一纳秒内约传播30厘米，因此若不加修正，几纳秒的计时误差就会变成约一米的距离误差。

对于卫星 ii，测量可以建模为

ρi=(xi−x)2+(yi−y)2+(zi−z)2+c δt\rho_i = \sqrt{(x_i - x)^2 + (y_i - y)^2 + (z_i - z)^2} + c\,\delta t

其中 (x,y,z)(x, y, z) 为接收机位置，(xi,yi,zi)(x_i, y_i, z_i) 为根据播发的轨道数据计算出的卫星位置，δt\delta t 为接收机的钟差。大气和相对论效应项也会进入测量方程，将在后文讨论。

为何需要四颗卫星

每个伪距都将接收机约束在以该卫星为球心的球面上。位置即这些球面的交点，这一过程称为三边测量。三个球面一般相交于两点，通常选取靠近地球表面的那一点。然而，接收机有四个未知数：三个位置坐标和钟差 δt\delta t。三个测量值无法确定四个未知数，因此需要第四颗卫星提供缺少的方程。若高度已知（例如位于海平面的船只），三颗卫星可能就足够了。钟差解是定位解的副产品，这也是接收机同时能给出精确时间的原因。

求解非线性方程

由于每个距离都包含一个平方根，方程是非线性的。因此接收机先从一个近似位置出发，用一阶泰勒展开将方程线性化，然后求解所得的线性最小二乘问题。记状态为 x=(x,y,z,c δt)\mathbf{x} = (x, y, z, c\,\delta t)，修正量为

Δx=(HTH)−1HT Δρ\Delta\mathbf{x} = (\mathbf{H}^{\mathsf T}\mathbf{H})^{-1}\mathbf{H}^{\mathsf T}\,\Delta\boldsymbol{\rho}

H\mathbf{H} 的每一行形式为 [ux,i, uy,i, uz,i, 1][u_{x,i},\, u_{y,i},\, u_{z,i},\, 1]，其中 ui\mathbf{u}_i 是从估计位置指向卫星 ii 的单位视线向量，Δρ\Delta\boldsymbol{\rho} 包含实测伪距与预测伪距之差。像高斯–牛顿法迭代那样更新估计值并重复计算，直到修正量可以忽略不计。该方法使用普通最小二乘法拟合，并用到线性代数中的矩阵运算，实际实现时借助标准的数值分析技术。H\mathbf{H} 中所编码的几何结构还决定了测量噪声如何在最终位置中被放大，该效应将在后文以精度因子的形式讨论。

由多普勒频移求速度

卫星与接收机之间的相对运动会使载波频率发生偏移，这种效应称为多普勒效应。当距离变化率 ρ˙\dot\rho 远小于 cc 时，频率偏移 fDf_D 近似为 fD≈−(f/c) ρ˙f_D \approx -(f/c)\,\dot\rho。由于波长为 λ=c/f\lambda = c/f，上式可写为 ρ˙≈−λfD\dot\rho \approx -\lambda f_D。在 L1 频率 1575.42 MHz 下，波长约为19厘米，因此接收机可以将测得的频率偏移直接换算为距离变化率。

由于每颗卫星的速度可由其播发的轨道数据得知，多颗卫星的多普勒测量值可以组合成一个线性方程组，其结构与位置解相同。由此可求得接收机的速度以及钟漂率。多普勒测量在很大程度上不受限制伪距精度的基于码的计时误差影响，因此速度估计通常比位置估计更精确。

空间段、控制段和用户段

GPS通常被描述为三个相互配合的部分，其中任何一部分出现故障，都可能表现为所有用户共同面临的定位误差。空间段是由卫星组成的星座。官方描述中，基准星座分布在六个等间距的轨道面上，轨道面相对赤道的倾角约为55°，轨道高度约为20200公里。每颗卫星大约半个恒星日绕地球一周，即约11小时58分钟。每个轨道面有四个基准“槽位”，星座的设计使地球上几乎任何位置的用户都能看到至少四颗卫星。额外的卫星作为备份和替补。近年来官方统计的在役卫星数量约为31颗。每颗卫星都携带原子钟，并在L波段的无线电频率上广播。它的时间信号和导航数据的精度，取决于地面持续提供的轨道模型和时钟修正，因此空间段无法单独工作。

控制段是保持星座精度的地面网络。其核心节点是位于科罗拉多州施里弗太空军基地的主控站，加利福尼亚州范登堡的备用主控站作为替补。全球监测站网络（根据日期不同，官方统计约为16至17个站点）记录每颗卫星的信号，并将数据传回主控站。在那里，滤波和轨道建模软件估算每颗卫星的星历和时钟误差，并生成导航电文。随后，运行系统中约11个地面天线将指令、星历和时钟数据上传至卫星，再由卫星转播给用户。控制段还负责监测系统健康状况，在需要时启用备用卫星并调整其位置。由于同样的计算修正量会同时传送给所有用户，控制软件是关键组件：建模错误、数据输入有误或上传故障，都会传播到整个系统，而不会局限于单个接收机。这也是地面系统现代化进展漫长而艰难的原因之一，后文将对此作更详细的说明。

用户段由接收机以及依赖它们的人和机器组成。接收机通过天线收集信号，跟踪信号，解码导航电文，并解算出位置、速度和时间。硬件种类差异很大：大地测量接收机使用高精度天线，设计上可抑制反射信号；汽车设备、航空电子设备和船用设备则需符合认证标准。大多数消费类设备使用单一的集成电路芯片组，通常是基于半导体的芯片组，内置于智能手机或可穿戴设备中，在一个小封装内集成了射频前端、相关器和微处理器。民用接收机使用公开发布的信号和导航电文，而军用接收机使用受保护的信号，需要将密码学密钥载入安全硬件中。因此，军用接收机并不只是性能更好的民用接收机，它们访问的是另一套信号，并受到受限的访问控制。

三个部分在实践中以重要的方式相互依赖。如果某个监测站失效或地面链路中断，卫星仍会继续发射信号，但其轨道和时钟预测会逐渐过时。误差会在数小时到数天内缓慢增长，接收机仍会给出定位结果，只是精度下降。如果某颗卫星的时钟出现异常漂移，控制段应能检测到并在导航电文中将该卫星标记为不健康。若接收机忽略这一标志，仍然使用该卫星，就会产生误差。用户端的故障即使完全不涉及卫星，也可能产生全系统范围的影响。20世纪90年代末和2019年著名的周数回绕问题影响了部分接收机设计：它们错误地处理日期，尽管卫星工作正常，却输出了错误的时间和位置。这些例子表明，定位的可靠性取决于整个链条协同工作，而不取决于任何单一部分。

信号、频率与导航电文

GPS卫星在L波段载波上发射信号，频率介于约1至2 GHz之间。最初的设计中，L1频率为1575.42 MHz，L2为1227.60 MHz，两者都由10.23 MHz的基频时钟生成（分别为该值的154倍和120倍）。L5（1176.45 MHz，为基频的115倍）后来才加入。L1仍是应用最广的频段，因为几乎所有接收机都会跟踪其民用码；同时，它的电离层折射误差比L2或L5小，约为L2误差的61%、L5误差的56%。L2支持双频修正：接收机比较两个频率上的延迟，即可直接估算电离层延迟。L5是为生命安全级航空应用设计的，位于受保护的航空频段，发射功率约为传统信号的两倍。

载波本身不携带定位信息。每颗卫星用扩频码对载波进行调制，扩频码既用于标识卫星，也使接收机能够测量信号的传播时间。民用C/A码是一种1023码片的Gold码，码片速率为每秒1.023百万码片，因此每毫秒重复一次。P码的码片速率为每秒10.23百万码片，周期为七天。启用反欺骗时，P码会被加密为Y码，只有持有密钥和保密模块的用户才能使用。军用接收机通常先捕获C/A码，再将授时转移到P(Y)码上；但在干扰严重时，也可以直接捕获P(Y)码。

M码是在L1和L2上发射的军用信号。其频谱被分解为旁瓣，把能量集中到C/A码与P(Y)码频谱的零点（凹陷）处，从而减少对民用接收机的干扰。M码的发射功率可以远高于旧信号，无需先跟踪C/A码即可捕获，并包含更强的鉴权和访问控制。其抗干扰能力是开发该信号的核心原因之一。

导航电文以每秒50比特的速率播发，每帧1500比特，因此完整一帧需要30秒。每帧的前部给出卫星的时钟参数及其与GPS时间的关系。随后部分播发广播星历，即该颗卫星精确的轨道根数；地面段约每两小时更新一次，通常有效期约为四小时。历书则是对所有卫星轨道和状态的较粗略描述，还包含电离层模型数据，以及GPS时间与UTC之间的关系。由于每一帧只携带历书的一部分，从单颗卫星接收完整历书大约需要12.5分钟。电文中还包含健康标志，用于告知接收机某颗卫星是否可用。电离层数据采用Klobuchar模型，使单频接收机能够估算部分延迟。冷启动时，等待星历可能占据首次定位时间的大部分，而历书则帮助接收机预测哪些卫星当前可见。

民用信号现代化在很大程度上是为了应对上述局限。民用L2C信号加载在L2上，L5和L1C则作为进一步的民用信号推出。它们共同为民用用户提供了用于修正的第二频率，并在抗干扰方面提供额外冗余。现代化的民用信号采用增强型导航电文：L2C和L5使用民用导航（CNAV）格式，L1C则采用独立的CNAV-2结构。L1C的设计目标是与其他卫星导航系统的类似信号实现互操作。因此，民用用户可以在多种频段和码型之间选择，而不再只依赖单一的L1 C/A信号。

来源

原子钟与GPS时间

星载钟与地面钟

每颗GPS卫星都携带数台原子频率标准。资料通常给出的数量是三台或四台，由铷钟和铯钟组成。任一时刻只有一台驱动卫星的信号，其余作为受监测的备份。第一批Block I卫星配备了三台新研制的铷钟，从Navstar 4开始，套件中又加入了一台可用于航天的铯钟。后续各批次采用混合配置，其中Block IIR的铷钟被证明是星座中性能最好的。这一点很重要，因为该系统本质上是一个授时系统：一纳秒的钟差大约对应30厘米的位置误差。

在地面上，控制段并不依赖单一的基准钟。1990年以前，主控站用一台主钟计时，其他所有钟都通过地面站的跟踪与它对齐。这种设计容易受到主钟本身随机波动和异常的影响。自1990年6月17日复合钟软件在主控站投入使用以来，时间改由一组钟的集合形成，并通过卡尔曼滤波器进行合成。该滤波器会估计每台钟的状态，并据此为各台钟分配权重。

GPS时间的定义

GPS时间的历元为1980年1月6日，当时它与UTC对齐，但它是连续计数的，不随闰秒调整。因此两者之间的差值每遇到一次闰秒就增加一秒。1999年该差值为13秒，2016年12月31日的闰秒之后达到18秒。闰秒由国际地球自转和参考系服务机构决定，该机构负责使UTC与地球自转时间的差值保持在0.9秒以内，闰秒决定通常仅提前约两个月公布。

由于这一差值会变化，导航电文会广播当前的GPS-UTC差值，并预告即将发生的闰秒，以便接收机正确计算UTC。刚启动、尚未解码这部分电文的接收机可能会显示时间突然跳变，这是该差值传送方式带来的实际后果。在地面上，操作人员每天从美国海军天文台获取GPS-UTC差值的更新数据，并将其注入系统。

钟差漂移、预测与调整

没有哪台时钟的走时速率是完全恒定的，其速率本身也会随时间变化，这种变化称为漂移。不同类型的GPS钟漂移程度各不相同。铯钟的漂移极小，一天之内的影响可以忽略，因此地面软件对铯钟直接将漂移率估计值固定为零。相比之下，铷钟的老化现象明显，估计器必须对其漂移率进行建模和跟踪。在正确修正漂移后，铷钟状态的一日稳定度明显优于铯钟，美国海军天文台和空军在该课题上的研究也有此报告。

地面软件会向前预测每台钟的钟差和速率，并将修正参数上传，使卫星播发的钟参数保持一致。由于漂移不为零，且预测精度会随时间下降，因此需要进行调整（steering），即有意识地调节钟的频率。美国海军天文台的研究人员曾描述过一种历史方法：让钟自由漂移，直到其钟差达到预设值，然后以更大的速率朝相反方向改变频率，之后再切换回来。采用卡尔曼滤波的现代集合调整方法，设计目标是在由19台钟组成的钟组中，将GPS时间的稳定度预测到约10¹⁴分之几的量级。因此，使系统时钟持续与UTC保持同步是一项持续进行的地面工作，而不是一次性的设置。正是这项工作，使卫星钟以及由它们得出的每台接收机的位置解保持一致。

相对论修正与相对论检验

GPS依赖于速率会受到两种效应影响的时钟。第一种是运动带来的狭义相对论效应：一颗以约每小时14,000公里速度运动的卫星，其时钟会因时间膨胀而变慢。GPS卫星上的时钟每天大约会慢7微秒。第二种是高度带来的广义相对论效应。由于卫星位于地表上方约20,000公里处，那里的引力势较弱，因此它们的时钟走得更快。根据广义相对论计算，每颗GPS卫星上的时钟应比地面时钟每天快45微秒。两种效应并不相互抵消，合起来的结果是，GPS卫星时钟相对于平均海平面上静止的时钟，每天大约快38微秒。

如果忽略这一偏差，位置误差会迅速累积。38微秒的时钟误差对应超过11公里的光程，因此未经修正的位置每天将大约漂移10公里。工程师通过在发射前预先调整卫星振荡器来防止这种情况。GPS卫星上搭载的原子钟在发射前被刻意调低频率，使其在名义频率10.23 MHz下的走时比地面时钟慢。具体来说，它们向下偏移约4.465×10⁻¹⁰，因此一旦进入轨道，相对论带来的加速会使其从地球上观测到的走时达到预定速率。这一出厂偏移记录在GPS接口规范中。由于轨道近乎圆形，卫星上的所有时钟大体上以相同方式运行，每天快38微秒，因此一个固定的偏移量即可处理大部分效应。由轨道偏心率引起的微小残余周期项，则由接收机根据广播星历计算。

这些效应于1971年首次用宏观时钟得到直接证实。华盛顿大学圣路易斯分校的物理学家约瑟夫·黑费尔（Joseph Hafele）构想了这一实验，美国海军天文台（USNO）的理查德·基廷（Richard Keating）协助完成了实验。基廷从美国海军研究办公室（ONR）获得了8,000美元经费，其中大部分用于购买机票。四台铯束时钟搭乘商用喷气式客机环绕地球飞行，一次向东、一次向西，并与美国海军天文台的参考时钟进行比对。理论预测，向东飞行的时钟相对于天文台上“静止”的时钟将慢40 ± 23纳秒，向西飞行的时钟则将快275 ± 21纳秒。实测结果为：向东航程慢59 ± 10纳秒，向西航程快273 ± 7纳秒。在给定的不确定度范围内，结果与预测相符；在实验误差范围内，结果与相对论的预测一致。此后的实验，包括1980年一项提高引力红移测量精度的测试，进一步完善了这些结果。

如今，GPS为同样的预测提供了持续且实用的检验。由于每颗卫星每天绕地球运行两圈，轨道高度为20,200公里，黑费尔和基廷首次测得的狭义与广义相对论效应，现已成为用于确定位置和时间的解算中的常规组成部分。美国海军天文台还每天测量每颗卫星上每台时钟的走时速率，并将其与构成天文台主钟的数十台原子钟进行比较。残余误差与修正量本身相比很小。一项分析报告称，GPS时钟计时的平均每日误差仅为13.7纳秒，而相对论修正量则为数十微秒。已发表的漂移数据也取决于遗漏了哪一项修正：一项分析估计，若只忽略基于运动的项，定位误差将约为每天2.16公里，而引力项的影响更大。

误差来源与可达精度

GPS伪距是卫星与接收机之间的几何距离加上若干误差项得到的，接收机的钟差与其位置一起求解。这些误差可分为三类：大气中的传播延迟、卫星与接收机硬件及模型的误差，以及可见卫星的几何分布。三者的综合影响决定了用户实际能获得的精度。

大气延迟

传播误差中最大的一项来自电离层。在中纬度地区，其延迟可在8至30米之间变化，取决于一天中的时刻；在赤道和极地地区，延迟可能大得多。在极端条件下，天顶方向的延迟可达15米，而在接近地平线的仰角上，延迟可超过200米。由于延迟与信号频率的平方成反比，它会同时使基于码的伪距变长，并使载波相位提前。

单频接收机依赖广播的克罗布歇（Klobuchar）模型，该模型平均可消除约50%的电离层折射影响。双频接收机的效果更好，它通过比较L1和L2信号的到达时间来估算总电子含量，并由此推算延迟。即便如此，仍存在残余的高阶效应，因为标准的双频方法忽略了高阶电离层误差，例如折射率公式中的二阶和三阶电离层项。

地球大气层的低层（即对流层）会因气压、温度和湿度而延迟信号。这种延迟不随频率色散，因此双频测量无法将其消除。接收机转而采用标准大气模型，并把剩余的延迟作为未知量进行估算。

多路径、接收机噪声与卫星误差

多路径效应是指信号在到达天线之前经建筑物或地形反射。这可能使接收机产生1米或更大的误差。在最恶劣的城市环境中，误差可能大得多，高达100米。在良好条件下，接收机的热噪声小于多路径误差，但会叠加在其上。

广播轨道的误差通常不大，因为地面段会对其进行更新，但它仍占伪距误差预算的很大一部分，通常约为2.5米。卫星钟是另一个误差来源：微小的频率漂移会直接转化为距离误差，因为钟差1纳秒对应光速下约30厘米的距离。总体上，各项单独误差被视为相互独立，而总的用户等效测距误差（UERE）等于各项误差平方和的平方根。

精度因子（DOP）

即使测距误差相同，位置误差也取决于卫星在天空中的分布方式。这一点用精度因子（DOP）来表示。几何构型越好，DOP越小，位置解算也就越好。对于一个由21颗卫星组成的星座，全球范围内的位置精度因子（PDOP）中位数约为2.7，通常可用的PDOP范围约为1.5至8。二者的关系是乘积关系：传统GPS接收机给出的位置均方根（RMS）误差可表示为：位置RMS误差 = 几何精度因子 × 测距RMS误差。这就是为什么位于狭窄城市峡谷中的接收机往往比在开阔天空下表现更差的原因：在峡谷中，可见卫星甚至可能不足四颗；即使有四颗，PDOP也可能大于6。

选择可用性

直到2000年，美国都在有意降低民用信号的精度。选择可用性（SA）通过对卫星钟进行抖动处理并篡改星历来实现，其目的是防止潜在对手获得精确的导航能力。在其取消之前，民用GPS的读数误差可达100米，相当于一个足球场的长度。

美国政府于2000年5月初结束了SA。2000年5月1日结束后，选择可用性于当日午夜过后几分钟（美国东部夏令时）停止生效。这一变化同时作用于整个星座，即整个卫星星座几乎同时发生了改变。各方报告的改善幅度并不一致：一种说法是民用精度提高了十倍，另一种说法则是精度从100米提高到20米。取消SA也反映了差分技术的普及，这些技术此时已能抵消大部分SA误差。2000年之后，电离层成为民用用户的主要误差来源，这一点在当时政府发布的公告中也有所说明。

增强与高精度方法

独立工作的 GPS 接收机通常能达到米级精度，因为卫星轨道和钟差、电离层与对流层延迟以及接收机噪声都会使测得的距离产生偏差。差分 GPS（DGPS）通过在已精确测定位置的地点设置一台参考接收机来减小这些误差。由于参考站知道自身的真实位置，它可以将每颗卫星计算出的距离与几何距离进行比较，并把两者之差作为修正量播发出去。附近的用户应用同样的修正量，就能抵消两台接收机共有的误差，主要是卫星钟差、轨道误差以及路径相近时的大气延迟。两个站点之间的距离越远，该方法的效果越差，因为两地上空的大气状况会逐渐不同。因此，DGPS 的运营方通常采用由多个站点组成的网络，而不是只设一个站。

星基增强系统（SBAS）将同一原理应用于整个区域。修正量和完好性数据由静止轨道卫星播发，兼容的接收机将其视为一路额外信号。美国的广域增强系统（WAAS）是第一个此类系统，于 2003 年投入使用，由美国联邦航空管理局为民用航空运营。日本的 MSAS 随后于 2007 年启用，欧洲的 EGNOS 于 2009 年宣布投入运行。各系统的参考站网络规模不同：WAAS 有 38 个站，EGNOS 有 34 个站，MSAS 有 8 个站。WAAS 利用地面站的双频观测数据，在格网上推算电离层修正量，这对单频用户尤其有用。其典型精度约为一米或更好，但主要用途在于完好性。系统会监测每颗卫星，并在某颗卫星不应继续使用时向接收机发出警报，同时还为修正量附上置信界限。LPV 等航空进近程序就依赖于这些保障。在北美，WAAS 修正量可供民用用户免费使用。

实时动态（RTK）定位使用的是载波相位，而不是编码伪距。L1 载波的波长约为 λ≈19 cm\lambda \approx 19\ \text{cm}，其相位可以测量到一个周期的很小一部分。难点在于，接收机并不知道卫星与天线之间完整的整周数，这一未知量称为整周模糊度。一旦将其正确解算为整数，距离便可精确到厘米级。位于已知位置的 RTK 基准站会通过无线电或蜂窝网络实时发送观测数据或修正量，流动站则利用这些数据，在各卫星和各频率之间检验候选的整数组合。固定解通常可达到 1–2 厘米。如果模糊度只被部分解算，得到的便是“浮点”解，其精度仍优于标准 GNSS，但远不够精确。每当某颗卫星丢失或低于高度角截止值时，模糊度都必须重新搜索并固定。

网络 RTK 将这一方法扩展到由持续运行的参考站组成的网络。该网络对随空间变化的误差进行建模，尤其是各站之间电离层延迟的差异，并向流动站提供修正量。与单一基准站相比，这使得流动站在更大范围内的残余误差保持在较低水平。参考站之间的模糊度解算本身对电离层差异较为敏感，因此在断电之后或有新卫星升起时，浮点解可能需要长达数十分钟才能收敛，之后才能可靠地固定整数解。

精密单点定位（PPP）只需一台接收机，无需附近的基准站。它依赖精确的卫星轨道和钟差产品以及详细的误差模型，并在使用载波相位模糊度解算的同时，自行估计剩余的大气项和钟差项。由于其覆盖范围是全球性的，PPP 适用于偏远地区、海上和航空等场景。其主要缺点是收敛时间较长。标准 PPP 达到完全精度前的收敛时间，相关报告的数据大致在 10 至 40 分钟之间，而较早的研究则描述为半小时到一小时。收敛之后，精度通常可达约 5–20 厘米，而厘米级结果则依赖于较长的观测时段。目前已发展出更快的变体。PPP-RTK 将 PPP 与区域大气修正量相结合，伽利略高精度服务（HAS）则力求在五分钟以内收敛，精度优于 20 厘米。双频及多频观测能缩短收敛时间，因为它们可以将电离层项与模糊度分离开来。

起源：子午仪、Timation 与 Navstar 构想

第一个投入使用的卫星导航系统是美国海军的子午仪系统，其正式名称为海军导航卫星系统。它的第一颗卫星于 1960 年入轨，该系统由约翰霍普金斯大学应用物理实验室研制。子午仪通过测量卫星飞越上空时无线电信号的多普勒频移来工作，并根据一次过境期间频率变化的曲线形状确定位置。这种方法存在明显局限：接收机通常大约每小时才能获得一次二维定位，而且每次定位都要等待卫星经过。子午仪适合潜艇和低速船只，这些平台能够忍受较长的间隔，但不适合需要持续更新数据的飞机或陆地车辆。1967 年，它开始向商业和私人用户开放。

海军的 Timation 计划由海军研究实验室自 1964 年起负责实施，是第二个前身。1967 年和 1969 年发射的 Timation 卫星表明，如果卫星搭载高度稳定的时钟，就能实现纬度、经度和高度的三维定位。时钟是这一思路的核心：接收机只要比较来自多颗卫星的信号时序，就可以依据距离而不是缓慢变化的多普勒曲线来计算位置。Timation 的工作指向了 原子钟，后来原子钟成为 GPS 卫星的标准配置。

空军的 621B 计划是第三条线索，1963 年起由航天与导弹系统组织提供经费，并借助航空航天公司的研究工作推进。其目标是为飞机和其他高速运动平台提供连续的三维定位。该计划的设计要求卫星发射基于伪随机噪声码的测距信号，这使多颗卫星能够共用同一频率，同时也使信号具有较强的抗干扰能力。1972 年进行了可行性试验，该概念随后被纳入 GPS。空军上校布拉德福德·帕金森于 1972 年底负责卫星导航工作，并领导一个团队，将子午仪、Timation 和 621B 中最有价值的部分结合起来。

这一整合源于明确的作战需求。五角大楼认为，需要一个三维、全天候、全球范围内持续可用的系统。1973 年 4 月 17 日，美国国防部副部长威廉·P·克莱门茨二世下令成立由空军牵头的联合计划办公室，研制精确导航系统。1973 年 12 月，概念验证获得批准，并确定了 Navstar GPS 这一名称。该计划背后的军事需求与冷战时期对轰炸机、导弹和潜艇精确导航的关注有关，也与现有系统难以满足高速载具需求的局限有关。

1983 年大韩航空 007 号班机被击落事件，常被视为民用访问权被确定下来的关键时刻。1983 年 9 月 1 日，这架波音 747 客机因导航错误飞入苏联领空，被苏联截击机击毁，机上 269 人全部遇难。9 月 16 日，罗纳德·里根总统发表声明，呼吁免费向民众开放 GPS，以防类似悲剧再次发生。一些历史学者认为，民用化在一开始就已有规划，该事件只是加速了既定进程，而非开创了这一方向。双方的观点都承认，这一决定使 GPS 成为一项公共服务，其后关于精度和可用性的政策也由此逐步形成。

发展至完全作战能力

第一颗Block I卫星Navstar 1于1978年2月22日从范登堡空军基地升空，搭乘由洲际弹道导弹改装而成的Atlas火箭。从范登堡发射的Block I卫星均以改装的洲际弹道导弹作为助推器。这些卫星由罗克韦尔国际公司制造，用作概念验证航天器。1978年至1985年间，共有11颗Block I卫星搭乘Atlas-F助推器发射，其中一颗因发射失败而损失。部分卫星后来因原子钟性能衰退或姿态控制系统故障而失效，但许多卫星的工作寿命远超设计寿命。这一系列十颗卫星的经验教训被纳入了后续实用型Block II的设计中。

Block II卫星于1989年2月14日首次发射，是第一代实用型卫星。其设计寿命为7.5年，在与控制段失去联系的情况下可独立运行14天。随后推出了改进型Block IIA，发射时间为1990年至1997年。1993年12月8日，美国空军航天司令部宣布系统达到初始作战能力，当时有24颗Block I和Block II/IIA卫星在轨运行。随后，通过增发Block IIA卫星，补齐了分布在六个轨道面上的24个基准星座槽位。1995年4月27日，美国空军航天司令部宣布系统达到完全作战能力，当时系统满足所有要求，24颗实用型Block II/IIA卫星均已就位于指定槽位。一些二手资料给出的1995年这一里程碑日期有所不同，因此以官方宣布的日期为更可靠的参考。

Block IIR是补充系列。洛克希德·马丁公司设计了13颗Block IIR卫星，用作Block II的备份星。其中第一颗于1997年1月17日在Delta II火箭升空时爆炸中损失，该系列因此剩余12颗。这些卫星引入了卫星间测距功能，称为AutoNav，使其能够自行计算位置，并在该模式下保持六个月的完整精度。Block IIR还搭载了三台铷原子频标，相较Block IIA的时钟是一次升级。IIR-M变体增加了新的军用和民用信号。其卫星在L1和L2频段上使用新的M码，以便在更强的干扰环境下工作，并在L2上搭载民用L2C信号。L2C有助于修正电离层延迟。

由波音公司制造的Block IIF卫星延长了设计寿命。其设计寿命为12年，配备了速度更快、内存更大的处理器，并增加了第三个民用信号L5。首颗Block IIF卫星于2010年5月搭乘Delta IV火箭发射。第十二颗也是最后一颗IIF卫星于2016年2月5日发射。

早期地面设备和用户设备的经验也影响了后续的选择。早在1978年，联合项目办公室就已在飞机、直升机、船只、卡车上测试多种类型的用户设备，甚至包括背负背包式设备的士兵。在此期间，原型地面控制系统设在范登堡。航天飞机事故导致Block II卫星的计划发射时间推迟了约两年。发射计划的这一变化与将航天飞机作为空军任务主要运载工具的决定有关。大约在1979年，联合项目办公室响应了美国国防部的决定，该决定将航天飞机指定为空军任务的主要运载工具。这些经验共同推动该项目朝着更长的自主运行时间、更可靠的时钟，以及能够容忍地面支持中断的设计方向发展，这些特点后来成为之后各代卫星的标准配置。

<!-- 本节未引用 Cold War 等词条链接，见下方说明 -->

现代化：GPS III、GPS IIIF 与 M 码

GPS III 系列及其最后一颗卫星

洛克希德·马丁公司制造了 GPS III 卫星。该系列的第十颗也是最后一颗卫星于 2026 年 4 月 21 日入轨，由 SpaceX 的猎鹰 9 号火箭从卡纳维拉尔角发射。它是美国先进 GPS III 系列的第 10 颗也是最后一颗卫星。该任务原本分配给火箭"火神"号执行，但由于"火神"号的固体火箭助推器出现问题，太空军改用猎鹰 9 号。

与早期卫星相比，该系列据称精度提高至三倍，抗干扰能力提升至八倍，并能为作战人员提供安全的 M 码信号。该计划还为民用和军用用户带来了新的导航信号，旨在提高所有用户的精度和可用性。每颗卫星的设计寿命为 15 年。

SV10 的光学星间链路与时钟验证

SV10 搭载了一套星间链路验证载荷，这是 GPS 卫星上的首个光学载荷。它测试太空与地面之间的激光通信，目标是提高地面段的韧性，并实现更快的任务指令更新。该载荷还旨在证明卫星之间可以直接交换数据，而不必仅依赖地面站中转。这一点很重要，因为当前架构需要通过地面设施转发大量的控制和数据交换，使这些设施成为单点脆弱环节。该验证还在采集双向时间传递和测距数据，以降低用户测距误差，并支持自主运行。

SV10 还搭载了一台验证时钟。该卫星装有一台数字铷原子频率标准验证时钟，洛克希德·马丁公司将其描述为一种用于可靠、精确计时的先进原子钟。对该时钟的鉴定，旨在为星座中未来的航天器拓展原子钟的供应渠道。

GPS IIIF

GPS IIIF 是后续系列。洛克希德·马丁公司在位于科罗拉多州丹佛的工厂生产 GPS IIIF 卫星。各方对订单规模的说法不一：一份行业报道称，洛克希德·马丁公司在丹佛工厂生产 12 颗，另一份则称在制的 GPS IIIF 卫星有 22 颗。发射时间也一直不稳定。首颗 IIIF 卫星的发射计划列为 2028 年第三季度，而 2024 年的一份行业报道已提到交付推迟了数月。

最引人注目的新能力是区域性军事防护。它使用一种基本等同于点波束的信号，波束直径为 1200 公里，信号强度比以往提高 60 倍。IIIF 卫星也是首批采用 100% 数字化导航载荷的卫星，并增设了激光后向反射器阵列（LRA），使配备激光测距设备的地面站能够更精确地确定卫星位置。计划中的搜救载荷可将遇险信号转发至地面站。

M 码

M 码是军用信号，其安全性更高、抗干扰能力更强，是现代化计划的核心。首颗能够发射 M 码信号的卫星于 2005 年入轨。截至 2024 年 5 月，GPS 星座的 31 颗卫星中有 24 颗具备 M 码能力。美国国防部的目标是在 2030 年代持续保持 24 颗具备 M 码能力的卫星运行。

美国政府问责局（GAO）多次提示进度风险。该局发现，太空军在克服技术和制造问题的过程中已耗尽进度余量，这可能推迟卫星交付，并危及国防部的目标。用户端则是另一个问题。首批 M 码用户设备（即处理 M 码信号的微芯片和卡件）即将进入最后一轮系列测试，但新发现的缺陷可能威胁该计划的进度。太空军还满足了"GPS 空间段至少应包含 24 颗具备 M 码能力卫星"这一完全作战能力要求，同时确认了一项已批准的 M 码用户设备需求，该需求要求 27 颗 M 码卫星。

这些 GAO 评估分别来自 2023 年和 2024 年，我未能核实其结论此后是否有所变化。

地面段与OCX项目取消

控制段负责向卫星上传导航数据、监测卫星运行状况，并保持其轨道和时钟的精确。下一代作战控制系统（OCX）原本旨在以现代化系统取代现有地面系统。该项目的历程是近年美国国防采购中最引人注目的失败案例之一，其于2026年4月的终止也改变了地面段的升级方式。

起源与预定职能

雷神公司（现为RTX公司的一部分）于2010年获得该系统的设计合同。该系统旨在使地面网络跟上GPS III卫星的需求，增加网络安全、抗干扰能力和更强的指挥控制功能。它被设计用于指挥和控制军方由30余颗GPS卫星组成的星座，包括支持新信号和抗干扰能力的软件。系统包括两个主控站，以及对全球各监测站的升级。最初方案设想了为期六年、耗资37亿美元的开发工作，系统原定于2016年完成。

进度延误很快出现。2016年，成本上升和项目延误触发了纳恩-麦克德迪修正案违规（Nunn-McCurdy breach），即依据美国采购法进行的正式成本超支审查。同年，空军已与洛克希德·马丁签约改进既有地面系统，以确保其能够支持GPS III卫星的发射，并在卫星入轨后最终对其进行指挥控制。该既有系统即“架构演进计划”（AEP），早在2007年就已投入使用，用以取代基于大型机的GPS主控系统。

测试、验收与终止

2025年年中，项目控制权移交政府。太空军直到2025年7月才掌握GPS的控制权，并于当时开始由政府主导的测试阶段。测试随后暴露出问题。政府主导的测试发现了系统存在的重大问题，官员称这些问题无法解决。有资料提到此阶段出现了有条件的认证，但相关豁免的细节无法独立核实。

2026年4月17日，五角大楼终止了该项目。代理服务采办执行官汤姆·安斯沃思（Tom Ainsworth）建议取消该项目。官方理由是，OCX“无法在具有操作意义的时间表内交付所需能力，且风险水平不可接受，无法满足GPS星座现代化的需求”。一位太空军官员后来解释，此项决定主要出于两方面考虑：一是需要按时交付GPS IIIF卫星的地面组件，二是需要限制开发风险。在耗时逾15年、耗资数十亿美元之后取消OCX，主要受这两项要求驱动。

成本

成本数字因来源和统计口径而异。太空军报告称，截至2026年1月，已在这一现已终止的项目上花费62.7亿美元。其他分析认为，若计入增补合同，总花费已超过80亿美元。一项分析将官方成本定为76亿美元，另加为支持GPS IIIF而预计的增补费用，使总额超过80亿美元。与最初估算相比，该项目的价格已从预计的37亿美元上升至近80亿美元。

替代方案：AEP与洛克希德·马丁

太空军没有继续推进OCX，而是决定继续升级AEP。“分析表明，对OCX的进一步投资已不再是保护和推进GPS能力的最佳方案。相反，我们将继续增强现有控制系统，以运行GPS卫星星座。”洛克希德·马丁获得了相关工作。该公司的新合同价值最高达1.05亿美元，不仅涵盖当前在轨卫星，还包括未来GPS IIIF各型号的早期运行。太空军还另授予洛克希德·马丁1.99亿美元，用于升级AEP，以支持GPS IIIF卫星的发射及指挥控制，该工作被称为AEP-M。

仍存在重大缺口。AEP相关工作不包括使L5信号投入实际运行所需的修改。AEP-M的进度仍在五角大楼成本评估与项目评估办公室的审查之中。既有架构能否在可行的时间表内完全支持加密的M码信号，仍是一个悬而未决的问题。

治理、政策与公众使用

GPS由美国国防部开发，是一项军民两用的联合计划。尽管该系统仍由国防部控制，但由于其在民用和商业领域的广泛应用，该计划由一个跨部门的执行委员会负责管理。这个委员会即"天基定位、导航与授时国家执行委员会"（PNT EXCOM）。如今，美国太空军负责运营和维护GPS。联合管理早于该委员会的设立：1996年，克林顿总统设立了跨部门GPS执行委员会，它是国家执行委员会的前身。2004年，一项后续总统指令设立了常设委员会，由国防部和交通部的副部长共同担任主席。

在该委员会之下，一个指导小组负责日常的协调工作。其联合主席由国防部和交通部的副部长级或助理部长级官员担任，成员包括联邦航空管理局。国家协调办公室是委员会的常设工作机构，负责编制《天基定位、导航与授时五年国家计划》，并评估各成员机构的执行情况。现行政策框架为2021年1月发布的《太空政策指令第7号》（SPD-7），它取代了2004年12月15日发布的《国家安全总统令第39号》（NSPD-39）。该指令重申了委员会作为跨部门机构的地位，负责统筹政府在天基定位、导航与授时服务、增强系统及天基替代方案方面的整体利益。政府之外的建议则由另一个独立委员会提供。该委员会依据《联邦咨询委员会法》设立为联邦咨询委员会，由美国国家航空航天局代表国家执行委员会予以资助。

公众使用的承诺可追溯到20世纪90年代。1996年，一项总统决策指令宣布GPS为民用和军用服务，并承诺持续向全球提供服务，且不向用户直接收费。该政策后来被编入《美国法典》第10编第2281条。2017年的一份政策简报概括了同样的原则，包括为和平用途提供持续的全球服务且不直接收取用户费用，以及与外国全球卫星导航系统（GNSS）提供方就兼容性、互操作性和透明度开展合作。民用用户有正式的意见反馈渠道。由交通部设立的民用GPS服务接口委员会（CGSIC）将其成员的意见和会议内容转交美国GPS主管部门，供政策制定和服务运营时参考。委员会成员资格免费，参加任何一次CGSIC会议也无需付费。

为保证技术透明，政府公布其信号定义。公开的接口文件包括用于核心导航信号的IS-GPS-200，以及针对L5和L1C民用信号的单独规范。服务变更的通知也有正式规定。根据民用监测要求，对标准定位服务的任何计划中断，须至少提前48小时发出通知。预定停机通过由运行控制段发布的《Navstar用户通告》（Notices Advisory to Navstar Users）公告。此外，运行控制段的内部程序规定，对于预定中断，应至少提前96小时发出此类通知。

在国际上，美国一直将GPS描述为更广泛的卫星导航体系的核心组成部分。2008年，美国在向联合国外层空间事务委员会所作的一份声明中表示，将致力于维持全球定位系统作为新兴国际全球导航卫星系统体系的中流砥柱。主要的多边论坛是国际全球卫星导航系统委员会（ICG），这是一个得到联合国支持的自愿性协会，汇集了包括美国、俄罗斯、欧盟、中国、印度和日本在内的卫星导航及增强系统提供方。其愿景是确保为和平用途提供最优质的卫星定位、导航与授时服务，让所有人、在任何地点、任何时间都能使用。无线电频谱的使用由国际电信联盟协调，美国还鼓励设立一个正式认可的干扰监测中心（例如，经国际电信联盟认可的监测中心）。

公众讨论主要围绕该系统应如何筹资、如何治理以及如何备份展开。2017年的一份政策简报列出了国防授权指导文件的相关要求，该文件要求研究备份和补充GPS定位、导航与授时信息的技术方案，以服务于国家安全和关键基础设施，并探讨为补充系统采用公私合作和服务水平协议的可行性。2024年，总统咨询委员会得出结论认为，GPS的治理缺乏统一的架构，建议定位、导航与授时的问责和决策权应超出国防部的范围。究竟应通过扩大治理范围、整合相关项目，还是增加独立的定位信息来源来解决问题，仍是一个悬而未决的政策问题。这一问题关系到政府如何权衡成本、安全以及依赖该服务的民用利益。

其他全球导航卫星系统与互操作性

美国的GPS是若干全球导航卫星系统（GNSS）之一。俄罗斯的格洛纳斯系统诞生于苏联时期，在星座、轨道和信号结构上与GPS相近，不过其卫星高度约为19,140公里，略低于GPS所在的中地球轨道。其轨道倾角约为64.8°，因此在高纬度地区覆盖更好。其较早的FDMA信号体制让每颗卫星使用不同频率，这与GPS采用的CDMA体制不同；较新的格洛纳斯卫星则增加了CDMA信号。欧盟的伽利略系统自2016年12月起提供公共服务，其设计突出民用用途，并强调与GPS的互操作性。中国的北斗系统采用中地球轨道、倾斜地球同步轨道和地球静止轨道卫星组成的混合星座，到第三代系统时实现了全球覆盖。日本的准天顶卫星系统（QZSS）是一个区域系统，用于增强日本及亚大地区的GPS服务，其发射的信号与GPS兼容。印度的NavIC（原称IRNSS）是一个区域系统，由地球静止轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星组成，覆盖印度及周边地区。

现代接收机可以同时跟踪多个星座。每增加一个系统，可见且与天线之间视线畅通的卫星数量就会增加。这在城市峡谷（高楼遮挡大部分天空的街区）、深谷和林区等环境中尤为重要。可见卫星越多，接收机可用的测量数据就越多，所选卫星的几何构型通常也更好，从而降低精度因子（DOP）。当某一星座出现性能下降或局部中断时，多系统组合也能起到保障作用。其代价是工程复杂性：接收机必须处理不同的轨道几何、时间尺度和信号体制，并且要为每个系统分别估计钟差。

互操作性包括三个技术层面。第一是信号兼容。GPS的L1、伽利略的E1以及其他系统的现代化信号在若干频段上共享中心频率；L5频段则由GPS、伽利略、北斗、QZSS和NavIC共同使用，因此接收机只需一套前端即可处理共用频段。第二是参考框架。每个系统都实现了自己的坐标框架，这些框架都与作为国际民用标准的国际地球参考框架（ITRF）相连接。两者之间仍存在厘米级差异：一项2019年的研究发现，各系统的运行框架与IGS14实现版本的差异在伽利略上可达约4厘米，在GPS和北斗三号上约为6厘米，在格洛纳斯上约为13厘米，而部分北斗二号中地球轨道卫星的差异则达到约48厘米。第三是时间。每个系统都维持着自己的系统时间，并由国家或系统主时钟将其驾驭到协调世界时（UTC）；各系统时间之间的偏差通常在纳秒至数十纳秒量级。一些系统会广播与其他系统时间的偏差，接收机也可以把这一偏差作为导航解算中的一个额外未知量进行估计。来自不同系统的观测值必须先完成时间对齐再进行组合，否则定位误差会随之增大。

一个系统能否用于安全关键场景，取决于认证、完好性监测和增强手段，而不只是其原始信号质量。例如在航空领域，星基增强系统和完好性监测决定接收机能否用于精密进近，运营方和监管机构必须对每一种星座与增强手段的组合分别予以批准。公共政策同样重要：政府对服务连续性的承诺、公开的接口文件以及变更的提前通知，决定了用户对某一系统的依赖程度；而若系统受外国政府控制，则可能被视为对国家基础设施的风险。因此，许多关键运营方将多星座接收机视为增加冗余的手段，而不是单一可信信源的替代品。

交通、消费设备与精准农业中的导航

道路运输是日常生活中使用定位最多的领域。接收机给出的位置通常会与数字道路网络进行匹配，路径规划软件再根据匹配后的位置计算行驶路线。网约车调度和车队追踪依赖的基本数据相同：设备定时将位置、速度和航向发送给服务器，由服务器派单、估算到达时间，并标记偏离计划路线的情况。物流企业使用同一数据流进行路线优化、电子围栏式送达确认和签收记录。输出质量既取决于卫星定位本身，也取决于软件。滤波算法可以平滑带有噪声的位置数据，将其吸附到正确的道路上，并在信号于隧道、地下停车场或高楼密集的街区中中断时进行衔接。

智能手机依靠的是辅助GNSS，而非单纯的卫星独立定位。辅助GNSS（A-GNSS）是一种GNSS增强系统，通常能显著改善全球导航卫星系统的启动性能，即首次定位时间（TTFF）。实际中，手机通过蜂窝网络或Wi-Fi连接获取轨道和时间信息，而不必等待从卫星广播中解码这些信息。辅助服务器可以计算某一基站覆盖范围内的设备应当捕获哪些卫星，并可生成修正信息。辅助也有其局限。A-GPS在室内效果不佳，因此在这些条件下会采用其他定位系统作为补充。消费类指南通常把由此得到的精度描述为米级而非厘米级；一家厂商的资料称，常规GPS的精度在3至10米之内。

民用航空对定位提出了更严格的要求。广域增强系统（WAAS）是由卫星和地面站组成的导航系统，用于提高全球定位系统的精度。其设计目标既包括精度，也包括完好性，这使其能够支持对安全至关重要的飞行。其最知名的应用是LPV进近，它利用WAAS的精度提供相当于I类仪表着陆系统（ILS）进近的仪表进近程序。由于引导信息来自卫星，此类进近无需在跑道上设置地面航向信标或下滑信标发射机。在符合条件的机场，LPV进近的最低下降高可低至200英尺。装备WAAS LPV的飞机在恶劣天气下可以使用超过4000个跑道端的进近程序。WAAS规范规定，至少95%的时间内，水平和垂直定位精度应达到7.6米（25英尺）或更优。欧洲的EGNOS系统在欧洲的进近中发挥着类似作用。在海上，差分改正数据支持港口和近岸导航，位置则显示在电子海图系统上。不过，避碰主要依靠雷达和自动识别系统，而不仅仅依赖GNSS。

精准农业是上述日常应用中要求最高的一类。标准GPS系统的精度通常在3至5米之内，适用于基本导航，但不足以满足精准农业的需要。实时动态（RTK）改正可以弥补这一差距。RTK改正可将GPS信号误差降低到厘米级，这是播种定位、变量施肥以及精细农场测绘等作业所必需的。大多数精准农业应用需要优于10厘米的精度才能发挥作用。其实际效益主要体现在减少浪费上。在窄行作物或反复作业的情况下，避免重叠和漏耕的导航尤为重要。拖拉机的自动转向系统利用卫星信号持续修正行驶路径，将行驶轨迹的误差控制在±3厘米之内。基于GPS引导的土地平整还能改善水分分布，防止局部积水或干旱，提高整体用水效率。上述许多说法来自设备厂商，因此实际节省的幅度因作物和作业方式而异。

建筑和采矿业将同样的原理应用于重型机械。由GNSS引导的推土机、平地机和挖掘机按照数字设计曲面作业，减少了测量桩的使用，也减少了因土方误差而返工的情况。在露天矿中，自动驾驶矿用卡车依赖的也是同类定位技术。由于RTK精度依赖于实时改正数据链路，一旦改正信号中断，这些机器的定位精度可能退化到米级，因此运营方通常会规划备用定位方案。

大地测量学与地球科学

GPS已成为大地测量学的核心工具。大地测量学研究地球的形状、方位和地表形变。GPS在大地测量中最重要的作用，是帮助维护国际地球参考框架（ITRF）。该框架是一套标准的测站坐标和速度体系，用于比较不同时间、不同地点测得的位置。为ITRF提供数据的空间大地测量技术有四种，其中GNSS构成了最密集的观测网络，约有一千个测站提供位置测量数据。全球各测站采用四种测量技术为参考框架收集数据。"GNSS的最大优势在于遍布全球的密集测站网络。"国际GNSS服务（IGS）以400多个连续运行站为基础，承担了其中大部分工作。IGS的基础是一个由400多个永久性、连续运行、达到大地测量精度的测站组成的全球网络。其坐标、速度和地球定向参数被纳入ITRF。IGS提供的GPS坐标、速度和地球定向参数（ERP）为国际地球参考框架做出了贡献。

参考框架还必须考虑运动因素。自ITRF2000起，每个测站的构造漂移都以显式速度矢量的形式给出，而不再由板块运动模型外推得到。从该版本起，每个测站的解中都以速度矢量表示构造板块的运动；此前的ITRF只延续初始位置，借助运动模型推算速度。非潮汐负荷（例如水体质量的季节性迁移）会使测站产生约1厘米量级的年周期振荡，后续框架为此增加了描述这种振荡的参数。该版本引入了额外参数，用于描述测站的年周期运动：每个坐标轴上的振幅A和相位φ。这类季节性变化的振幅约为1厘米，归因于非潮汐负荷效应（例如水体重量的变化）。WGS 84大地基准的实现以GPS监测站天线为锚点，并与ITRF对齐，每个分量的偏差在约一厘米以内。WGS 84参考框架（WGS 84 RF）通过美国国家地理空间情报局/美国太空军GPS监测站天线参考点的笛卡尔坐标得以实现。WGS 84 RF与ITRF在三维各分量上的对齐精度达到一厘米以内。

地壳运动、构造与地震

GPS是测量板块构造运动的主要大地测量仪器。它能够分辨每年1至2毫米量级的板块运动。GPS可以测量每年仅1或2毫米的板块运动。早期研究依赖于数年间重复进行的野外测量活动，而现在，持续记录的永久性接收机能够捕捉地震期间和震后的位移。研究人员利用永久安装的GPS接收机网络，以一秒或更短的间隔连续采集数据。这种方法提供了时间上高度密集的数据，使得既能测量地震期间的位移，也能测量震后的位移。2003年，一个研究机构联合体建立了板块边界观测站（Plate Boundary Observatory），这是一个分布于美国西部的GPS接收机网络，用于监测北美板块和太平洋板块运动引起的地球形变。2003年，多家研究机构组成的联合体设立了板块边界观测站，即一个分布在美国西部的GPS接收机网络，用以研究北美板块与太平洋板块运动所引起的地球形变。

连续观测记录也推翻了关于断层行为的一些假设。直到不久前，俯冲带断层上的运动还被认为在大地震之间的时段内方向和速率保持不变。在卡斯卡迪亚边缘，GPS测站记录到了持续数周、幅度为数毫米的短暂运动，这表明断层深部发生了缓慢滑动。卡斯卡迪亚北部边缘的GPS测站在几周之内记录到5至6毫米的短暂运动，这意味着深部断层发生了数厘米的滑动。高频采样还捕捉到了单次地震的地面运动，例如2010年墨西哥埃尔马约尔—库卡帕地震，一个测站以每秒五次的频率记录了该事件。2010年埃尔马约尔—库卡帕地震期间P496测站的运动。该站点的运动每秒计算五次。大地震之后，测量人员无需对整个区域重新测量，而是可以根据地震参数建立形变模型，并在地理信息系统（GIS）中更新其数据。测量人员可以依据地震参数应用形变模型，并在地理信息系统（GIS）中更新数据。

大气水汽与电离层

GPS信号穿过中性大气时会减慢，这种延迟可以转化为有关大气状况的信息。天顶总延迟包括两部分：一部分是静力延迟，主要由干燥空气的质量引起；另一部分是湿延迟，由水汽引起。天顶总延迟（ZTD）由两部分组成：天顶静力延迟（ZHD），主要来自干燥大气的质量；天顶湿延迟（ZWD），源于大气中水汽的存在。将湿延迟转换为可降水量（PWV）需要一个系数，该系数取决于物理常数以及大气柱的加权平均温度，而后者必须单独估算。这一转换通过将天顶湿延迟乘以一个系数实现，该系数的大小是与湿空气折射率相关的若干常数以及大气加权平均温度的函数。平均温度在空间和时间上都有变化，必须事先估算。一项针对美国本土430个测站、时段为2013至2020年的研究发现，基于GNSS得到的可降水量与探空数据的吻合程度约为2.3毫米（均方根）。基于美国本土430个测站2013至2020年的GNSS测量，得到了可降水量（PWV）与天顶总延迟（ZTD）数据集。比对结果表明，相对于探空（RS）测量和ERA5再分析产品，GNSS导出的PWV数据集的均方根（RMS）误差分别为2.3毫米和1.8毫米，整体精度较高。此类观测数据已被常规输入数值天气预报模式。来自固定地基全球导航卫星系统（GNSS）接收机的大气水汽估计，目前已被业务化同化进数值天气预报模式。

电离层是位于约60公里以上的电离大气层，它以与频率相关的方式使信号产生延迟。比较两个频率上的延迟，可以得出沿每条视线方向的总电子含量，用于绘制电离层结构图并监测空间天气。因此，电离层中的扰动可以在GNSS数据中体现出来，用于修正导航误差的同一批测量数据，也服务于空间天气研究。

海平面、冰川与地面沉降

验潮仪测量的是相对于其所在陆地的海平面高度，因此陆地的垂直运动可能被误认为是海洋的变化。与之并置的GNSS接收机能够将两者区分开来，这对解读海平面上升记录至关重要。与水平定位相比，GNSS的垂直定位精度较低，因此需要较长的时间序列，才能使微小的变化趋势变得可靠。研究还利用反射的GNSS信号，即所谓的GNSS反射测量技术，来估算水面和积雪的高度。

在冰川研究中，GNSS接收机用于测量冰流和表面高程变化；位于冰缘附近基岩上的接收机，则能记录冰量减少后随之发生的弹性隆升。这一信号有助于将冰量变化与地壳较慢的回弹区分开来，这对评估气候变化对海平面上升的贡献十分重要。由地下水开采、采矿或其他物质抽取引起的地面沉降，也可借助GNSS进行监测，因为垂直分量能够揭示某一地点的下沉，而这种下沉在水平数据中可能无法察觉。

授时与同步基础设施

对许多用户来说，GPS 的价值更多在于它提供的时间，而不是位置。授时接收机是一种简化设计，优先保证精确的时间传递而非定位精度，因此对网络时间同步（NTP 服务器）、金融交易时间戳、电网同步和科学研究都至关重要。授时接收机的天线通常固定安装并事先测量过位置，因此它只需求解自身的时钟偏差，而无需求解运动状态。理论上，只要视野中有一颗卫星，就能给出时间解。相比之下，定位接收机必须求解三个坐标加上时钟误差，并跟踪移动平台，因此需要更多卫星和更多运算处理。

电信

电信网络历来依赖频率同步，即设备共享相同的时钟速率，但不共享绝对时间基准。这些网络的相位偏差可能相当大，既不具备也不需要绝对时间同步。较新的无线电系统改变了这一点。一些蜂窝和广播标准要求网络中相邻节点的设备具有共同的相位基准，误差上限在微秒量级。移动网络利用 GPS 时间同步基站，使移动终端能够更高效地共享有限的无线电频谱，并同步通话切换。

卫星信号传统上提供这种相位授时，但并非总是可用。某些站点可能无法安装天线，或安装成本过高，因此运营商越来越多地采用基于分组的方法，例如精确时间协议（PTP）和 NTP。NTP 可提供毫秒级精度，而 PTP 可提供纳秒级精度，并能实现相位同步。实际中，网络时间服务器通常将 GPS 作为多个输入源之一；在保持自身本地时间时，它还可以弥补潜在的 GNSS 中断。

电力、金融与科学

电力公司利用卫星授时来监测、保护和运行分布在广阔区域内的资产，其时钟必须与共同的基准保持一致。未来，电网系统将需要在变电站达到亚微秒级精度，以支持自动保护和故障检测。授时还可用于故障定位：通过分析电气异常在电网中传播时的精确时间，可以追溯输电线路中任何停电的确切位置。目前，电网系统依赖 GNSS 时钟作为时间基准源，并以原子钟作为中断时的备用。

金融市场利用 GPS 时间为交易加盖时间戳，从而证明事件发生的先后顺序。在金融交易中，准确知道各笔交易的发生顺序至关重要。科学仪器同样受益。在 GPS 可用之前，有时需要将原子钟运送到时间标准所在地进行校准，而 GPS 导出的时间脉冲使这一做法变得不再必要。这种校准将本地时钟与国家实验室维护的可溯源时间尺度联系起来。

信号丢失时的脆弱性

授时用户也继承了卫星信号本身的弱点。过去几年中，人们已经发现了针对 GPS 时钟的威胁和脆弱性，例如干扰、太阳耀斑和欺骗。干扰器可能在毫无预警的情况下切断信号：GNSS 系统可能被轻易干扰、欺骗或屏蔽，无论是有意还是无意，且不会发出任何警报。即使是低功率的干扰，也足以在数公里范围内轻易干扰或欺骗 GNSS 接收机。欺骗更难应对，因为被攻击的接收机无法察觉这种威胁。有一个事件说明了非计划的干扰源如何造成附带损害：一名承包商的干扰器屏蔽了其公司车辆的车队跟踪系统，同时也在此过程中干扰了地基增强系统（GBAS）。不同类型的中断，影响也不同。信号完全丢失相对容易察觉，而伪造的信号则可能在没有任何明显迹象的情况下改变时间。

因此，关键用户会保留备用时间源。具有良好守时特性的时钟能够度过短时间的中断。这类干扰通常是暂时的，持续时间大约在 1 到 15 分钟之间，因此守时特性良好的时钟可以减轻（即度过）这些干扰的影响。这类时钟利用 GPS 校准稳定振荡器，并被设计为在有限时间内即使没有信号也能准确保持时间。它们的守时性能有限，如果中断持续更久，时间精度最终会下降。一项专利的背景部分称，如果 GPS 授时源丢失，大多数网络基站收发台（BTS）将变成孤岛小区。该文件还称，失去授时源后，网络将在 24 至 72 小时内出现性能下降。这一数字来自专利文件中的断言，并非独立测量的结果。基础设施运营商通常比应对授时故障更善于应对电力故障：一篇行业评论指出，基础设施运营商配备了备用发电机，但没有备用的 PNT（定位、导航与授时）源。

授时接收机与定位接收机

授时接收机与定位接收机共享相同的基本信号处理原理，但设计目标不同。定位接收机针对从多颗卫星解算坐标以及动态工况进行了优化。授时接收机则针对稳定、低抖动的每秒一个脉冲（1PPS）输出以及固定安装进行了优化，通常配有高质量的天线馈线，并依据测得的信号延迟进行校准。授时硬件的成本对其用途而言通常较低，因为它不需要同等的运动跟踪能力，但成本差异在很大程度上取决于所需精度、备份硬件和安装条件。

军事应用与电子战

军方用户是 GPS 最早也是要求最苛刻的用户之一，他们的需求塑造了该系统的信号设计。制导弹药就是一个明显的例子。雷达时代的精确打击构想，是随着联合直接攻击弹药（JDAM）才变得切实可行的。JDAM 是一种外挂式尾部套件，其尾段包含惯性导航系统（INS）和全球定位系统（GPS）。弹药脱离飞机后即可自主导航飞向目标。由于 GPS 可能遭到干扰，当卫星信号丢失时，该套件会转而采用惯性导航；而惯性模式的精度远低于 GPS 辅助制导（制导组件在 GPS 信号丢失时会转回惯性导航，惯性导航的精度明显更低）。定位技术也应用于武器以外的平台：海军的 JPALS 系统采用基于软件的高完整性差分 GPS 方案，在舰载机回收作业中为其提供精确着舰引导。

军用信号与民用信号是分开的。民用的 C/A 码供民用和商业使用；军用的 P(Y) 码经过加密（加密后的 P 码称为 Y 码），并每七天重置一次，以防止未经授权的使用。较新的 M 码则是为美国军方及其盟国提供受保护的服务而设计的。其设计包括来自 GPS Block III 卫星的点波束发射，能够将信号功率集中到特定区域；M 码信号经过加密，其接收机能够检测并拒收虚假信号。向 M 码过渡需要整个链路的同步改进。美国政府问责局指出，这需要卫星能够播发 M 码信号，地面控制系统能够支持，用户设备也能够接收。接收机硬件是一个瓶颈：需要专用的 M 码专用集成电路芯片和接收板卡。美国政府问责局还报告称，由于技术复杂，M 码在国防部范围内的大规模列装仍需数年时间。过渡是逐步进行的：某一款接收机系列将同时支持 SAASM 和 M 码操作，使操作人员在过渡期间能够管理配置不同的飞机。

电子战（EW）是这些功能存在的主要原因。干扰与欺骗是两种不同的威胁。干扰是指攻击者用电磁噪声压制真实的卫星信号，使接收机无法探测到它们，从而阻断信号。欺骗则更加隐蔽：攻击者发射模仿真实卫星信号的虚假信号，接收机接受这些信号后便会给出错误的位置。国家行为体可以大规模实施这类行动。俄罗斯、中国等国的军用电子战系统能够在整个区域投送高功率干扰。2025 年，包括拉脱维亚、立陶宛、爱沙尼亚、芬兰、丹麦和德国在内的 13 个欧盟成员国致函欧盟外交与安全政策高级代表，反映波罗的海地区的干扰问题。武装冲突期间也出现过干扰：在美以对伊朗的首轮打击发生后 24 小时内，该地区海域的船只便发现其导航系统出现严重紊乱。

对抗措施可在多个层面展开。在天线与信号处理层面，抗干扰系统可能采用空域零陷、空时自适应处理（STAP）和空频自适应处理（SFAP）。较简单的滤波方式也有代价：针对己方干扰的陷波滤波器，可能会导致己方部队无法跟踪 C/A 码。较新的硬件采用数字波束形成，以对抗针对 GPS 接收机的干扰。相关项目还致力于在信号不可用时保持导航能力。BAE 系统公司的技术将提升军用定位、导航与授时（PNT）设备的性能，并增强其抵御针对 GPS 信号攻击的能力。通用动力公司也曾在一次高超声速飞行中试飞了一台在无 GPS 环境下工作的 MO-Nav 接收机，表明部分导航可以在没有卫星信号的情况下进行。由此可见，电子战既推动了信号的改进，也推动了对 GPS 的替代方案的发展。

干扰、欺骗以及互补的定位、导航与授时手段

卫星导航信号抵达地面时已极其微弱，因此功率相对较小的发射机就足以压制它们。干扰是用噪声淹没卫星信号，使接收机失去定位。欺骗则更难察觉：攻击者播发模仿真实信号的伪造信号，接收机在不发出任何警报的情况下接受错误的位置。干扰通常对操作者来说显而易见，而欺骗则可能使接收机持续报告一个看似可靠、实则错误的位置。

有记录的事件显示了这两种影响。2017年6月，黑海中靠近新罗西斯克的油轮“Atria”号船员发现，其接收机把船只定位在捷连兹克机场；该海域的其他几艘船也报告了类似异常。各方消息对偏离距离的说法不一，大致在内陆20至25海里之间。2025年，红海和霍尔木兹海峡同样受到影响。集装箱船“MSC ANTONIA”号于2025年5月搁浅，此前其上报的位置已被篡改；2025年6月，富查伊拉附近两艘油轮相撞，其中一艘曾遭遇AIS欺骗，但该欺骗并非碰撞原因。在航空领域，2025年1月一架飞机进近维尔纽斯时中止进近，改飞华沙，立陶宛空中导航主管部门将其归因于GPS干扰。有分析估计，全球每天发生的干扰或欺骗事件超过700起，但该数字难以独立核实。

由于没有任何单一信息源可以完全信赖，工程师们发展出了互补的方法。机载惯性系统和时钟通常更难被干扰或欺骗，因为它们依靠内部测量运动，而非依赖外部信号；它们能够在短时间中断时维持运行，但会随时间累积漂移。陆基无线电系统（如eLoran，即LORAN的低频地基后继系统）提供的信号传播方式与卫星信号不同。一些军事概念采用天文传感器，通过测量与恒星和行星之间的角度来确定位置。授时用户可以依靠保持时钟（例如芯片级原子钟），在与协调世界时的联系中断时继续计时。美国交通部的一项研究得出结论：其测试的11种替代技术中，没有一种能够全面取代GPS，且每种方案都适用于不同的用户需求。美国政府问责局（GAO）也指出，在GPS可用时，互补信息源可以对其进行交叉校验，使接收机能够察觉某一信息源与其他信息源相互矛盾。

商业低地球轨道（LEO）服务是这一努力中较新的组成部分。Xona Space Systems公司推出的Pulsar星座定位为高精度服务，其信号远强于传统GPS，并具备认证功能；该公司称，许多标准GNSS接收机可通过固件更新使用该服务。这些数据均为公司声明。TrustPoint于2026年1月完成了其低地球轨道导航系统的地面到空间时间传递演示。欧洲航天局于2026年3月28日发射了首批Celeste LEO-PNT演示卫星，计划中的任务为一个由11颗卫星加1颗备用星组成的星座。在美国，陆军的替代导航系统（ALTNAV）利用商业低轨通信星座的信号，于2024年底达到初始作战能力，预计将于2027年年中实现完全作战能力。

政府对这些工作的监督仍在进行中。美国政府问责局于2026年10月7日发布的一份报告发现，GPS现代化仍面临延误，并建议陆军、海军和空军各自评估，将其GPS现代化与互补PNT工作进行整合，能否改善战略协调；国防部对这三项建议均表示同意。此前的GAO审查指出，PNT监督机构往往优先推进GPS现代化，而非替代信息源，这一张力在当前关于资金与整合的争论中仍有体现。

经济意义

对GPS经济价值的估算差异很大，主要原因在于各项研究衡量的对象不同，统计的时间段也不同。被引用最多的美国研究由美国国家标准与技术研究院（NIST）资助、RTI国际公司执行，估计自20世纪80年代民用和商用开放以来，美国私营部门的累计收益约为1.4万亿美元（按2017年美元计算）。作者建议，这一数字仅应理解为大致的数量级。同一研究还估计，GPS服务中断每天造成的损失约为10亿美元；如果中断恰逢农民的关键播种季节，损失可能更大。

其他数字较小，是因为它们覆盖的经济领域较窄。一份基于部分应用场景、提交给联邦咨询委员会的简报报告称，2013年的估计收益约为560亿美元，约占GDP的0.3%。另一项估算认为，美国商业用户获得的直接收益每年超过676亿美元。行业机构委托的研究还对节省的时间进行了估价：仅美国每年因出行时间缩短而节省的价值就达50亿美元，全球则为170亿美元。部分资料带有倡导性质。2011年由LightSquared公司资助的一项研究称，该公司的计划将“为经济创造约120亿美元的价值”。LightSquared在频谱使用方面有利益关联，这说明资助方可能影响研究结论。术语本身也很重要：欧洲全球卫星导航系统管理局（European GNSS Agency）的市场报告衡量的是经济影响（economic impact）而非经济价值（economic value），因此不能与基于福利的估算相加或直接比较。

研究方法是造成差异的重要原因。此前一项美国的综述引用了约70项市场研究，并得出结论认为“收益被低估了”，原因是那些缺乏可靠数据的类别被排除在外。被排除的领域包括除航海图以外的地理信息服务和测绘、资产追踪、土地与海岸带管理以及建筑业。由NIST资助的2019年研究还指出，大部分收益是在最近10年内积累的，因此总量在很大程度上取决于所选的时间段。若用NIST的数字粗略核算，约33年间平均每年约为400亿美元。这是一个粗略的估算，并非该研究报告的数字。

相比之下，该系统的公共成本较为有限。2023财年，总统预算申请为美国国防部GPS项目拨款18.4亿美元，用于美国太空军的采购以及研究、开发、测试与评估。这笔经费属于更大的太空预算之中；2024年，美国空军部长表示，太空军目前每年约300亿美元的预算不足以完成其所承担的任务。依赖性问题源于该信号的应用范围之广。GPS提供的精确授时支撑着金融、电力和电信等多个行业。由于众多行业依赖同一个来源，系统一旦出现中断、干扰或故障，损失可能同时波及彼此无关的多个行业。这正是本文其他部分讨论备份信号源研究的理由所在，即系统性风险。

价值在公共与私营主体之间的分配同样不均。联邦政府免费提供信号，而大部分商业回报则来自接收机芯片、软件平台、地图与定位服务，以及使用这些技术的企业。一个行业组织引用了一项预测，认为未来十年基于位置的服务将为消费者和企业用户带来7000亿美元的价值，不过此类预测出自有商业利益的一方。公共收益，包括安全性提升、因节油而减少的排放以及应急响应能力的改善，较难定价，因此常被排除在主要估算之外。综合来看，这些数字表明，GPS以相对有限的公共投入带来了可观的回报，但回报的具体规模取决于计入了哪些收益，以及由谁来计算。

隐私与位置数据

卫星定位是单向的。接收机监听星座发出的信号并自行计算位置，系统不需要用户回传任何信息。因此，该服务无需手机或互联网连接即可工作：GPS 不要求用户发送任何数据，也不依赖任何电话或互联网信号。标准设备会向持有者提供坐标，但不会把坐标广播给他人，这类 GPS 接收机通常不会发送个人的位置信息。

因此，隐私风险主要产生于信号接收之后。设备一旦记录或上传定位结果，被存储的记录就成了暴露的环节。现代设备还会将卫星定位与其他信号结合使用。智能手机的 GPS 芯片通常可以把设备定位到十米左右的范围内，而基于基站三角定位或 Wi-Fi 的定位数据精度较低，通常只能精确到街区或社区级别。这类数据由智能手机、可穿戴设备和联网汽车产生。研究人员长期以来认为，个人的实际位置通常被视为隐私信息，向联网应用披露位置会带来严重的隐私和安全风险。位置还可以从购买记录或 IP 地址等非位置数据中推断出来，因此，建立在定位之上的数据层与定位技术本身同样重要。

各司法管辖区的监管规定差异很大。根据欧盟《通用数据保护条例》（GDPR），位置数据是指由网络和/或服务提供方收集的、关于个人设备位置的数据；独立于此类提供方收集的 GPS 定位信息不在该定义范围之内。在条例适用的情况下，企业通常需要对数据进行匿名化处理或取得同意，且同意必须具体明确，并通过清晰的积极行为作出。企业只有在位置数据已匿名化或获得用户同意的情况下，才能处理这些数据。根据 GDPR，同意必须是自由给出、具体、知情并包含积极行为的，用户也可以随时撤回同意。

在美国，没有涵盖地理位置的统一联邦法律。一份合规评论指出，目前并无联邦法律规范地理位置数据的使用、收集或共享。不过，联邦贸易委员会将精确地理位置数据视为敏感个人信息，并依据其对不公平或欺骗性行为的一般监管权力对其进行监管。加利福尼亚州《消费者隐私法》（CCPA）将地理位置视为个人信息，消费者可以要求删除其地理位置数据，并选择拒绝将其个人信息出售给第三方。根据该法，“精确地理位置”指从设备获取的、能将个人位置确定在半径1850英尺（约564米）范围内的任何位置数据。关于此处的同意规则，各方观点不一：一种分析认为，CCPA 在收集地理位置信息前不要求明示同意（opt-in），另一种解读则认为该法要求对精确地理位置的收集取得明示同意。加州一项待审议的法案 AB 1355 拟扩大定义范围，将 IP 地址、GPS 坐标、蜂窝基站位置信息纳入其中，并限制出售及向第三方披露。弗吉尼亚州的综合性隐私法也为消费者数据提供了更强的保护，其中包括精确地理位置数据。

技术本身与其用途之间的区别是这些争论的核心。定位硬件测量的是接收机所在的位置；隐私问题则集中在软件、广告网络和数据中介身上，它们收集、整合、保存并转售这些测量数据。一些司法管辖区已采取透明度工具予以回应。例如，加州设有公开的数据经纪人登记册，以增进消费者与数据经纪人之间的透明度。围绕这些工具的讨论涉及数据隐私、网络安全，以及更广泛的人权和伦理学问题。

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