工程成就：全球定位系统（GPS）改变地球

工程7（2021）290工程成就全球定位系统（GPS）：在太空中创造卫星，工程师改变了地球彼得·韦斯高级技术作家1. 序幕1990年底，波斯湾的战争在1月份伊拉克从科威特撤出入侵部队的最后期限之后隐约可见。在导致沙漠风暴行动的集结前线，美国军队开始要求他们的家人回家购买当地的海洋供应商店的商业卫星导航接收器，并将设备邮寄给他们在中东。美国军方数十年来一直在开发一个开创性的卫星星座，为美国军队提供全球导航数据，但仍缺少约三分之一的完整数量的航天器。尽管如此，仍有足够多的卫星在轨道上运行，并能广播位置和时间数据，这些数据可以极大地帮助集结在阿拉伯半岛及其附近的美国士兵在毫无特色的沙漠地形中航行，他们可能很快就会在那里作战。不幸的是，他们中几乎没有一个人，也没有他们的坦克、直升机或其他车辆，配备了下载最精确数据所需的军用接收器。但话已经说出口了。功能较弱的民用接收器已经可以在商店买到，但可以足够精确地测量卫星信号来完成这项工作。因此，当为渔民和度假船民制造的导航设备涌入军事基地、营地和机场时，步兵将手持设备与他们的设备一起藏起来，或者将较大的设备固定在悍马上（图1），装甲部队的士兵将它们固定在坦克上，直升机飞行员将仪器贴在驾驶舱的两侧。全球定位系统（GPS）在尚未完成之前就受到了多么大的重视和广泛的使用，这也许可以说明整个系统不久将对人类社会产生的变革性影响随着最初的GPS星座在20世纪80年代和90年代初逐渐完成，世界各地的人们与GPS接收器，在历史上第一次，可以立即知道他们在哪里，确切的时间是什么，即使是在天空中喷射，攀登地球上最高的山峰，或调整他们的帆海风现在，在全球范围内，每天每时每刻，来自GPS卫星的信号都在广播高分辨率、高精度的位置和定时数据，使世界各地的无数精确导航、测量、车辆控制和同步成为2. 介绍全球定位系统在现代工程成就中脱颖而出，因为它首先为所有能够使用合适的无线电接收器的人提供纵观人类的存在，人们一直在努力寻找可靠的方法来获得这些信息-从景观或海景中的特征或标记，从恒星或其他天体的目击，或从地图-但直到GPS成为一种通用的，全球性的，便携式的，可靠的和高度精确的技术，可以立即免费地向地球上任何地方的任何人提供所需的知识。也许GPS的一个同样重要的影响来自于它向全世界发送的纳秒精度的时间信号。这些信号同步金融交易、通信、电力、控制信号和无数其他数据流和测量的大量流，这些数据流和测量已经成为全球商业、电网、陆地、海洋、空中运输和航运、军事演习、互联网业务以及许多许多其他活动和服务所必需的。本文叙述了GPS的发明和发展的历史，始于20世纪50年代末，当时的苏联出人意料地发射了第一颗人造卫星Sputnik 1。受此事件的影响，美国太空先驱们Fig. 1.在中东的美国军队由他们的家人送回家，民用GPS接收机，如（a）1991年麦哲伦NAV 1000和（b）Trimble Trimpack安装在军用车辆上，在沙漠风暴战役中提供了前所未有的导航指导。致谢：科学博物馆（CC 0）;美国陆军（公共领域）。https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.02.0012095-8099/©2021 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可从ScienceDirect获取目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engP. Weiss工程7（2021）290291该研究揭示了对已知空间位置的轨道卫星进行距离测量的潜力，从而能够非常准确地计算观测者在地球上的位置。在工程师、科学家和国防承包商的推动下，最初不情愿的美国军方致力于实现这种定位能力，在美国海军（USN）和美国空军（USAF）开展研究和开发项目。这些努力推出了世界GPS随后从一个秘密的，后来解密的，美国空军计划，扩展了过境和其他计划的先前空间进步，但也产生了测距和通信信号，空间适用的原子钟，卫星轨道预测，航天器寿命和用户接收器的关键创新。在1991年波斯湾战争中证明了其军事价值后，GPS于1995年开始作为24颗卫星加上备用卫星的星座全面运作四分之一个世纪后，另外三个全球导航卫星系统（GNSS）-一个在去年（2020年）完全投入使用，第二个预计将在2022年之前完全投入使用-已经加入了GPS在太空中的地位，所有这些系统都以GPS为模式，能够提供相同的基本服务。自20世纪80年代初以来，GPS在实现和维持普及和变革性技术方面继续发挥主导作用，推动了导航，运输，通信，农业，工业，科学，金融和现代社会几乎每个方面都依赖的其他领域的大量且仍在增长的民用应用的扩散[3]。与其姐妹星座一起，这一工程成就进一步为目前严重依赖GNSS信号的新兴技术（如5G）以及可能尚未想象到的其他重大创新提供了重要基础3. 项目概况3.1. 协调人性截至2021年1月，目前正式组成GPS的31颗运行卫星（比标称的24颗最小星座多7颗，还有额外在那里，全球数十亿手机和其他设备的接收器可以锁定来自GPS卫星的信号，并且越来越多地来自俄罗斯，中国和欧盟（EU）的姐妹导航星座。全球导航卫星系统的首字母缩略词一般是指这些横跨整个地球的系统中的任何一个。印度和日本部署了区域系统，补充全球导航卫星系统网络提供的覆盖范围;所有这些系统共同构成了世界卫星定位、导航和授时基础设施。这些PNT卫星的数据几乎可以通过室外任何地方的无线电接收器接收，也可以通过轻微屏蔽的室内位置接收，这些PNT卫星的数据有助于并确保无计数关键的计算机化工具的正确操作[2]。手机和个人电脑需要位置数据来使用谷歌地图或Waze，以及时间数据来协调微博，Facebook，TikTok和许多其他娱乐，电子支付，社交媒体，游戏，银行和其他应用程序，以及无数网站，电话运营商和互联网服务。除了指导和监控数百万的汽车司机、卡车车队、飞机驾驶员和船长外，该系统还可以持续同步、路由和时间戳（根据需要）全球数十亿的日常数据传输。没有PNT信号，金融交易、电网电流分配、移动电话以及大量其他数字驱动的人类企业和活动就无法发生。此外，反映图二. 24颗（最少）GPS卫星跟踪轨道，旨在将它们均匀地分布在地球周围的空间和时间，确保从地球上的任何地方24/7同时瞄准四个该系统在全球范围内传输位置和定时数据，从而实现精确的位置测量和纳秒同步。自1995年全面投入使用以来，GPS是第一个提供这些功能的GNSS;今天，另外三个GNSS-主要是以GPS为模型-已经在太空中加入了它图片来源：国家航空航天博物馆，史密森学会（公共领域）。该系统的军事起源，武装部队依靠PNT信号，因为他们协调士兵和武器的机动，精确瞄准火炮，炸弹和导弹发射，并营救被击落的同志。总体而言，GPS和其他GNSS数据的可用性-不间断，即时，免费，准确，可靠和无处不在-已经成为地球近80亿人口中估计一半的所有这一切使全球定位系统成为一项革命性的技术，据美国空军退役上校布拉德福德W。帕金森博士，他领导了GPS项目的前六年（1972-1978）。在这段时间里，系统的设计结晶，帕金森和他的fel-low工程师开始建造和发射当前系统的卫星。帕金森是这篇文章的主要来源在人类历史的大部分时间里，我们很难确切地知道我们在哪里，现在是什么时候。帕金森说：“但现在我们只要拿出手机，马上就知道我们在哪里。”虽然，总的来说，大多数人不知道GPS是如何工作的。3.2. 开创性鉴于GPS是几十年来第一个GNSS，也是唯一支持和支持当今网络化、数据沉浸式世界的PNT基础设施，因此它作为最重要的现代工程成就之一赢得广泛认可也就不足为奇了。2003年，美国国家工程院（NAE）将查尔斯·斯塔克·德雷珀奖（Charles Stark Draper Prize）授予这项突破性的技术和P. Weiss工程7（2021）290292数百名工程师和其他参与其开发的人员也共同获得了许多其他荣誉。这些荣誉说明了GPS作为一项重要的工程成就被广泛接受，但并没有太多关于其发明者的动机和梦想，他们一路上克服的斗争和挑战，以及他们如何克服这些障碍。这些荣誉也代表了明智的事后反应，与大多数美国高级军官的怀疑和不感兴趣截然不同，GPS的开发者从20世纪60年代初到1991年海湾战争冲突中部分系统第一次基于卫星的导航系统的想法起源于军事：美国海军和马里兰州巴尔的摩附近的约翰霍普金斯大学应用物理实验室（JHUAPL）设计并建造了第一个全球卫星导航系统Transit。虽然有些-什么限制了它的能力，过境取得了巨大的成功。尽管如此，一个更快的可行性和价值的概念，军事和其他方面，更准确，普遍访问，比过境多功能的系统，GPS最终实现了，美国军事领导人之间的伤疤。在第一个GPS星座的几乎所有开发过程中，军事指挥官们基本上都将这项技术视为对他们预算的不必要和不受欢迎的竞争。‘‘If the Air Force had been left to their owndevices, the program just would have died, from lackof budget,”Parkinson面对阿波罗任务十年以来的政治挑战，当人们对即将到来的太空时代的兴奋和好奇集中在月球上时，一群有远见的工程师迈出了实现这一未经证实的太空技术的第一步。在这样做的过程中，他们取得了一系列重要的技术进步，从将系统所有卫星的信息编码到单个射频载波的方案，到开发出世界上第一个微型原子钟，这些原子钟在面对辐射和温度波动时这些和其他进步最终导致了一场隐形的革命，这场革命很容易被认为是理所当然的，但我们日益数字化的世界却非常依赖于它。3.3. 双火花1957年秋天，两颗火花同时无意中点燃了对GPS愿景的一心一意的追求，它的发明者和建造者。一个是世界上第一颗人造卫星苏联的斯普特尼克1号的发射太空时代另一个是在JHUAPL的非正式实验，灵感来自苏联航天器的首次亮相（图1）。 3）。Sputnik 1于1957年10月4日星期五发射进入轨道在接下来的星期一，两个年轻的JHUAPL物理学家，威廉·盖尔和乔治·魏芬巴赫，用一个临时的接收器装置接收到了卫星他们开始测量其20和40兆赫的无线电传输脉冲的多普勒频移，因为卫星接近，然后从他们撤退，每次通过高开销。他们发现，他们可以从这些变化中粗略地测量出航天器的速度和其他轨道信息，类似于交通警察用雷达枪从车辆反射的光束频率变化中测量过往车辆的速度。 在接下来的几个月里，JHUAPL的研究人员和其他机构的同事们致力于改进他们对Sputnik 1轨道路径的估计。随着他们对轨道的近似越来越精确，实验室主任弗兰克·麦克卢尔提出了一个问题，这个问题彻底改变了这个即兴项目。他想知道，假设人造卫星的轨道估计是正确的，科学家们可以根据他们对轨道的了解和航天器与他们之间的信号频率来计算他们自己在地球上的“第一次模拟显示出很高的准确性-难以置信的准确性！”几年后，Guier和Weiffenbach回忆说[7]。麦克卢尔3.4. 第一次过境麦克卢尔的问题不仅仅是出于对知识的好奇。美国海军正在为其拥有核武器的北极星舰队中的潜艇寻找一种可靠的方法，以准确地确定其地理位置。当麦克卢尔和数学家理查德·科什纳（Richard Kershner）得知盖尔和魏芬巴赫的精确度结果后，他们将麦克卢尔的头脑风暴转化为世界上第一个导航卫星阵列的设计。Kershner随后在JHUAPL成立了一个新的太空部门，为USN制作原型，测试和建造系统，称为Transit。当完全运行时，5-Transit于1964年开始运营;几年后，JHUAPL将Transit最后一批生产卫星的制造交给了美国无线电公司。使用Transit，水面上的潜艇可以比那个时代领先的陆基无线电导航系统（如Loran）更准确地定位自己。过境定位是图三. (a)人造卫星1号的复制品展示了四个后掠天线，这些天线使苏联（b）该模型显示了卫星的内部，~29000 km·h-1（8100 m·s-1），每96分钟完成一次轨道运行。1958年1月4日，史泼尼克1号在轨道上运行了三个月后，在重返地球大气层时烧毁。Credits：美国国家航空航天局（NASA;公共领域）;维基共享资源（CC 0 1.0）.P. Weiss工程7（2021）290293见图4。艺术家的插图显示了美国海军过境导航系统的前两颗卫星，（a）1-B和（b）2-A，后者在其顶部将美国海军研究实验室的卫星送入太空;（c）第三颗卫星3-A，被描绘为1960年11月29日发射后在800公里的高度绕地球轨道运行。0.91米高，大约90公斤的3-A发射了一个类似的搭便车者作为2-A. Credits：Roger Simmons，National Archives（public domain）.当时，还不清楚该系统的卫星和用户是否都需要原子钟，因为原子钟又大又重，而且价格然而，在伍德福德和中村为了使这种全天候的只有位于美国控制的土地上的主控制站才能向航天器发送任何信号，例如用于卫星位置和时间校准的信号。工程师们例如，用户的接收器可以在几乎任何时间或地点自行从卫星的连续广播中几乎立即提取到所需的四颗卫星（或更多以提高准确性）的确切时间和同时距离。这将是用户计算精确的三维定位所需的唯一信息（图5）。其次，该系统将只为“被动”用户服务这样的系统可以提供无风险的位置和时间信息24/7所有军事资产，包括战斗士兵，巡逻艇和战术该卫星群是通过对单个卫星进行多普勒测量而得出的，在等待数小时之后需要10在其局限性中，Transit只提供二维坐标，没有高度信息;此外，除非用户的速度被精确指定，否则它可能会严重错误地定位移动用户尽管如此，该系统仍然提供了25米的定位，这在当时是高度准确的大约在1962年，当美国海军和JHUAPL正在创建Transit时，美国空军启动了一个名为“621 B”的秘密计划，旨在研究和测试以东南亚为中心的区域卫星导航系统的概念。这项计划引发了一场军种间的竞争，多年来一直困扰着GPS的发展。美国空军设想了一个比过境更有能力的系统，一个可以提供三维，几乎即时定位精度在几米之内。下一代系统还将提供全球时间测量同步到30纳秒内。这种增强的性能将使超声波军用喷气式飞机能够快速、经常性地在途中定位，以指导在越南的精确空袭和其他行动，美国在越南的军事参与正在加深。虽然该系统最初只打算从东南亚的地球同步轨道卫星提供区域覆盖，但其规划者也将其视为迈向全球卫星导航网络的可能的第一步，该网络最终在30多年后由GPS实现。从 20 世 纪 60 年 代 初 开 始 ， 航 空 航 天 公 司 的 伊 万 · 吉 宁 （ IvanGetting）积极倡导这种更快、更复杂的卫星导航系统的概念，该系统可以为用户提供五角大楼高级官员的三维位置定位。在美国空军的资助下，宇航局对621 B进行了大约90次探索性卫星导航研究，包括1964-1966年由两名该公司在这份公开的工作中，伍德福德和中村探索了十几种不同的系统概念，这些概念在通信类型、计时和计算设备以及卫星、用户和地面站可能采用的方法上各不相同。图五. GPS导航是如何工作的？手持接收器（右下）跟踪来自至少四颗卫星的信号的到达时间，以确定到这些卫星的距离将这些范围计算与精确的卫星定位和也从这些卫星广播的定时校正信息相结合，允许用户设备计算其在地球上的位置。该系统包括观测卫星轨道的跟踪站，为指挥中心收集数据，指挥中心向星座传输必要的更新和校正。这些更新和校正确保每颗卫星广播精确的系统时间和观测验证的轨道位置，保证它们作为空间参考点，用于精确的地面用户位置定位。图片来源：Bruce Morser，国家航空航天博物馆，史密森学会（公共领域）。P. Weiss工程7（2021）290294轰炸机当所有用户都是被动的时，并发用户的数量变得无限，因此服务将对所有人可用。最后，尽管Woodford和Nakamura得出结论，卫星需要机载原子钟（或从地面中继的精确时间）来实现所需的定时和定位精度，但用户由于有四颗观测卫星，地面仪器可以确定位置和准确时间，而计时器并不比很快被广泛使用的小而便宜的石英钟复杂数字电子学[9]3.5. 技术障碍在JHUAPL的运输系统完全投入使用后，由物理学家罗杰·L·罗格斯领导的工程师和科学家们。伊斯顿在附近的另一个美国军事研究和发展机构，海军研究实验室（NRL）在华盛顿特区，开始建造和测试原型卫星的天基导航系统，旨在超越过境。除了精确的位置定位，NRL的概念，称为计时，旨在为用户提供精确的，通用的时间。据帕金森说，NRL人员可能不知道仍然保密的美国空军621B计划的细节，该计划也打算提供一个高度准确，可靠的时间信号。虽然NRL和621B概念在关键方面有所不同，但这两个概念有很多共同之处。到1969年，NRL建造并发射的一系列测试卫星中的第二颗，用于评估Timation技术，已经证明了固定（非移动）位置用户的位置精度为60米，这是很好的，但还没有比过境更好。与此同时，美国空军在1972年为其621B项目任命了一位新主任：布拉德福德·帕金森。当时，帕金森是一名年轻的上校，负责美国空军弹道导弹再入项目的工程设计，他的资历引起了一位将军的注意，这位将军希望支持陷入困境的621 B项目。帕金森曾在越南执行过战斗任务，毕业于斯坦福大学，获得航空工程博士学位在担任再入计划的工程掌舵人之前，他在惯性导航领域工作了三年，并在麻省理工学院的Draper博士（与NAE的Draper奖同名）的实验室学习了两年惯性导航作为621B的新领导人，帕金森通过招募一批精心挑选的大约25名美国空军军官来提高该计划的能力，这些军官拥有高级工程学位和工作经验，为制导系统开发和测试硬件。在讨论他的计划的全球导航概念的技术复杂性时，帕金森很快与博士物理学家马尔科姆·柯里（MalcolmCurrie）建立了联系，他是五角大楼新任命的高级平民。这是一个偶然的会议的思想为全球定位系统。柯里最近离开休斯飞机公司，成为国防研究与工程部主任，这是美国国防部（DoD）第三大权力职位。“我叫他教父，”帕金森说。‘‘If anything was going wrong in the Pentagon,he would try to fix it for尽管美国空军和美国海军的竞争导致了美国军方高层几年的犹豫不决，但在1973年12月，由柯里主持的一个由各军种高级军官组成的委员会批准了一项价值1.5亿美元、四颗卫星、对621 B概念进行原理验证的方案。的一部分当时由柯里提出的一种新的合作安排，卫星导航工作成为国防部的第一个联合军种发展计划。该委员会成立了GPS联合项目办公室（JPO），由美国空军在帕金森的领导下管理将美国海军的时间安排置于其管辖之下。来自其他军种的军官--包括海军、陆军、海军陆战队和国防测绘局--作为项目副经理共同管理该项目。设计、建造、发射和验证其初出茅庐的四颗卫星演示系统（1979年完成），该系统最终成为一个功能齐全的全球星座（1995年完成），并配备了地面站和基本用户设备，初级专业干事面临着许多技术障碍。在这些努力开始的时候，卫星和火箭仍处于起步阶段，计算机和其他电子设备是基于模拟的-笨重，缓慢，耗电，原子钟太大，太脆弱，无法飞到太空。为了克服需要解决的技术障碍，五项工程进展对全球定位系统的成功尤为关键：①从卫星到地面用户接收器的准确可靠的测距信号;②空间合格的原子钟;③坚固耐用的长寿命卫星;卫星轨道的精确预测;以及实用的用户接收器设备。4. 突出的技术和创新4.1. 数据递送在所有的进步中，GPS先驱们似乎普遍认为，他们为该系统设计的开创性测距信号--在该系统完成25年后基本保持不变--比任何其他技术进步都更有助于其成功实施和整体性能、多功能性和有效性。Woodford和Nakamura的评估奠定了基础，他们认为四目星座的被动用户将不需要庞大而昂贵的原子钟。这个概念的具体化要求每颗卫星不仅要广播自己的轨道描述和位置坐标，还要广播系统时间、航天器的发射机状态、电离层延迟模型等等，甚至还要广播然而，这些连续的广播只能以微薄的数据速率传输所有这些信息，以确保有足够的功率可用于关键的测距信号。由于GPS预算有限，JPO最初选择使用翻新的洲际弹道导弹进行卫星发射，以节省数百万美元。这些成本相对较低的A-F助推器的推力能力限制了每个卫星的发射重量，因此限制了其太阳能电池阵列的大小，并最终限制了可用的发射机功率。GPS开发人员只能可靠地提供地球上的信号强度为十亿分之一瓦的百万分之一。因此，该系统每秒只有50比特的数据每颗全球定位系统卫星将通过调制两个高频载波信号（1.2276和1.57542 GHz）传递其信息，星座将这些信号连续地发送给下面的用户早期Transit系统的JHUAPL设计者和建造者率先使用这种“双频”方法直接测量通过电离层的‘‘Fortunately, the delay is inverselypro- portional 今天智能手机中廉价的GPS芯片以更多的频率发射会消耗卫星宝贵的能量，但该技术提供了独立的测距信号，并有效地使用户能够P. Weiss工程7（2021）290295计算到星座卫星的距离，以精确地确定它们的位置。在20世纪60年代末和70年代，电子电路从模拟技术过渡到低功耗、紧凑、长寿命的数字元件。这演变成今天的集成电路，使计算技术得到了巨大的数学家和计算机科学家的创造性社区发现了数字信号的新处理能力，并将其应用于通信，传感，控制系统和其他领域。在公元621年，这些无线电测距技术的硬件演示已经在新墨西哥沙漠进行（下文将进一步描述），当时批准了最初的四颗卫星演示。为了满足不断发展的全球定位系统工作的需要，内部工程师和来自 工 业 界 的 数 字 信 号 处 理 专家 集 中 研 究 了 一 种 称 为 码 分 多 址（CDMA）的通信协议。通过为每个卫星分配一个数学上不同的代码，CDMA协议使得所有卫星都可以在同一频率上广播，而不会相互干扰或数据丢失。与此同时，所有用户接收机可以通过精确测量视野中四个或更多卫星中每一个的到达时间，同时对每一个卫星进行测距在 1971 年至1973 年在新墨西哥州白沙导弹靶场进行的基于CDMA的方案的现场测试中这些接收器检测并处理了从四个“伪卫星”发出的信号然后，工程师们将计算出的位置与安装在测试范围内的激光器测量的仪器的实际位置进行了比较。在三维空间中，计算出的位置和激光精确定位的位置彼此在5 m（可能的这些发现帮助获得了四颗卫星演示的批准，解决了五角大楼一些人的疑虑，并证实了具有四目可达性和CDMA的全球真实卫星系统可以提供JPO声称的前所未有的位置精度水平是可行的。4.2. 轨道原子钟在20世纪70年代末，当该项目的工程师们为关键的四颗卫星测试做准备时，GPS所需的时钟技术还不存在。虽然四个在视图中的卫星条件消除了每个GPS接收器中的原子钟的需要，但这种好处是有代价的。整个星座需要将其信号同步到纳秒--几十亿分之一秒。虽然这可以通过来自GPS地面控制网络的连续信号来实现，但更好的解决方案是在每个GPS卫星上安装非常稳定的时钟以使用铯原子束的商用原子钟最早于20世纪50年代开发出来，可以满足GPS计时的要求。不幸的是，太空飞行的温度波动会损害这些时钟的准确性，这些时钟是为实验室使用而建造的此外，在全球定位系统的轨道区域，强烈的电离层辐射可以在不到一分钟的时间内杀死一个没有屏蔽的人，也会迅速摧毁时钟。此外，这些精密仪器占用的空间太大，重量太重，无法满足卫星的体积和重量限制。全球定位系统需要更小的时钟，高度稳定，并能很好地免受太空极端环境的影响。伍德福德和中村NRL用于评估潜在位置的测试卫星上精确度和其他方面的设想计时系统，实验室包括实验简单的石英钟;新颖的，微型化，铷原子钟由小公司Efratom Elektronik GmbH的慕尼黑，德国（后来开设了一个办事处慕尼黑，德国（后来在加利福尼亚州开设了一个办事处）;和紧凑的铯束原子钟制作的小承包商频率和时间系统公司。(FTS)Danvers，MA（图） 6）。在NRL从1967年开始的十年太空时钟试验中，卫星三维方向（姿态）的不稳定性在哪里，从什么角度，以及什么时候阳光最强烈地照射到航天器上的可变性使得内部温度可变，导致石英钟的这些试验的结果清楚地表明，简单的石英器件不足以用于全球定位系统。然而，对于原子钟来说，由于它还没有经受住极端温度、辐射或机械应力的考验，不稳定的条件主要使测试无法得出结论。当时由一家大公司制造的典型铷原子钟高约30厘米，宽约48厘米，设计用于安装在工业电子机架上。相比之下，每个重量轻、紧凑、低功耗的Efratom铷钟都包含在10 cm的立方体中，该立方体封装了铷原子和其他气体的蒸汽作为其计时源。1974年，见图6。(a)由德国Efratom公司与罗克韦尔国际公司合作设计，重量轻，紧凑，低功耗的铷原子钟，如图所示，使前四颗GPS卫星实现了示范项目(b)第五颗GPS卫星携带了一个紧凑的空间加固铯束原子钟，就像这个一样，由马萨诸塞州丹弗斯的承包商FTS建造。图片来源：Dane A. Penland，国家航空航天博物馆，史密森学会（公共领域）。P. Weiss工程7（2021）290296··×NRL对一对铷钟进行了实地评估，得出了模棱两可的结果，四颗卫星的示范项目已经获得批准，JPO聘请了加利福尼亚州海豹滩的罗克韦尔国际公司制造第一颗GPS卫星。由于发射日期计划在1978年，罗克韦尔直接与Efratom合作，生产他们有前途的铷钟的太空加固版本。与此同时，FTS正在开发一个原型空间硬化，铯束时钟，NRL在1977年发射的另一颗卫星上进行了测试，同样是不确定的结果，除了一个时钟，它显然工作得很好，直到它的电源在评估后12小时出现故障。尽管如此，微型的、空间加固的Efratom/Rockwell铷钟满足了稳定性和鲁棒性的要求，使前四颗GPS卫星实现了示范里程碑。‘‘An atomicclock, a small atomic clock, is just as much of a world-changer asGPS is,” said Hugo Fruehauf, who was Rockwell’s GPS chiefengineer at the time Fruehauf精通德语，曾与时钟的Efratom共同开发者密切合作。在1980年发射的第五颗GPS卫星上，一个太空加固的FTS铯钟终于在太空中取得了成功，这是一系列太空铯钟中的第一个，它被证明至少与最初使GPS能够满足其所有设计目标的铷钟一样稳定[9，11]。尽管其新获得的原子钟具有非凡的精度和稳定性，但卫星系统仍然必须补偿由于相对论效应而不可避免的时间差异。正如广义相对论所预测的那样，在控制站和地球上的用户接收器中，空间时钟比地面时钟运行得更快，因为在22200公里的轨道时钟的高度较弱的引力场。如果不对这种速率差采取任何措施，卫星 此外，根据狭义相对论，空间时钟的快速速度延长了它们测量的时间间隔，与地面时钟相比，减慢了它们的“滴答声”。这将时序失配减小到约38.6l s d-1。为了消除剩余的差异，GPS操作员在发射前将卫星上原子钟的大约10 MHz频率略微降低约0.006 Hz。如果没有这种调整，gps确定位置将被扔关闭~10km·d-1，这是一个只会随着时间增长的削弱性误差4.3. 长寿命卫星寿命短的卫星可能会使太空计划破产，因为建造和发射替代品的成本很高。例如，第一个，然后是苏联的GLONASS星座的卫星平均只持续了2-3年。这一寿命意味着每年需要发射8-罗克韦尔国际公司从一开始就以延长GPS卫星寿命为目标，采取了质量控制措施，包括冗余最容易出现故障的部件，严格挑选性能不佳的部件，在飞行中进行广泛的部件监控，以及对设备故障进行后续分析。这些努力得到了回报，前十颗GPS卫星的平均寿命为7.6年（图1）。7）。在GPS II代时代，卫星平均寿命达到10-12年，每年需要2- 3次最新的GPS III卫星于2018年底开始发射，预计寿命为15年，截至2020年11月，其中四颗卫星将在一个轨道4.4. 精确的预测设计凌日系统的工程师和科学家们开创了预测其卫星轨道轨迹的先进能力。这是一个迫切需要过境，图7.第一次会议。1978年发射前，工程师们正在测试第三颗GPS卫星原型图片来源：The Aerospace Corporation（公有领域）。GPS的目标要求更加严格。例如，导航卫星的行星环绕路径可能会使它们在几个小时内从活跃的地面站上传更新的坐标到星座。在过境的情况下，随着它的轨道卫星名单越来越满，Guier和JHUAPL的同事们利用对航天器轨道的观测然后，他们将改进后的数据输入卫星轨道和地面位置计算。虽然早期的Transit系统的定位精度最多相差1公里，但随着模型的改进，误差范围降至99米，明显优于该项目规定的185米精度的目标。随着程序的成熟，静态水平误差降低到25 m（Transit没有提供垂直位置）[12]。在Transit成功的基础上此外，为GPS卫星时间同步开发的空间加固时钟使轨道预测精度得到进一步提高为了使GPS始终提供其预期的定位精度，其卫星轨道预测的基础模型由于GPS也需要比Transit系统更快地重新计算其模型，因此其开发团队必须设计一种能够近实时生成预期轨道路径的新型数学方法。4.5. 增强用户一场令人心碎的悲剧和后来的第一次伊拉克战争使GPS企业能够满足五个关键工程挑战中的最后一个：开发廉价的用户设备，以提供对PNT数据的快速访问。这一进步最终将推动技术这场悲剧发生在1983年，当时苏联误以为偏离航线的大韩航空007客机是间谍飞机，并将其击落，机上269人全部遇难。作为回应，美国总统罗纳德·里根保证全球使用GPS民用信号;尽管使用GPS民用信号的规格P. Weiss工程7（2021）290297从一开始就可以免费获得，但他们没有得到保证。早期的GPS系统实现了“选择性可用性”，这意味着它广播两种不同的信号，一种用于军事，另一种用于民用。虽然任何人都可以访问不太准确的民用信号，但只有美国军方才能以最佳精度访问信号（以确保其在战斗中的优势）。然而，民用信号足以避免导致007航班致命错误的严重导航错误。里根还承诺，将在不少于十年的时间内通知系统关闭。重要的是，里根的保证和这一承诺使电子公司对GPS的未来前景感到放心。公司开始开发和制造更多的GPS接收器，尽管这些设备最初是昂贵的专业项目，特别是那些为军事设计的设备，这减缓了它们的采用。JPO曾试图通过发布合同来满足军事需求 该计划设计和制造的九种用户仪器数量有限，往往体积庞大，重量沉重，功率需求大（图8）。最大的设备是一个巨大的军用控制台，比一个人还高，这是为了永久安装在大型飞机上;它配备了五个频道，两名操作员坐在一排电子机架前，这些机架宽达五人并排站立。这个装置证明了GPS可以在几千英尺以下不受1千瓦的敌方干扰机的影响。较小的装置，每个都有一个肥胖的棒状天线，包括一个11公斤重的“背包”，可以吊在士兵的背上，另一个版本可以安装在军用吉普车上，还有一个民用原型，大约是一个时钟收音机的大小。在沙漠风暴行动开始之前，国防部的库存中缺乏军用级接收器，国防部自己开始大量订购民用接收器，这补充了精明士兵的家人和朋友发送到中东的接收器。美国空军的GPS操作员还暂时关闭了降低民用信号的选择性可用性，允许部队完全准确地使用民用设备。最终，美国武装部队在沙漠风暴中使用的近90%的接收器是民用的;国防部从TrimbleNaviga- tion购买了10000台，从麦哲伦系统购买了3000台。当1991年1月中旬战斗开始时，电视观众看到了令人惊讶的武器投放精度，消灭了伊拉克空军。GPS的广泛使用还使美国陆军能够有效地通过毫无特色的沙漠进行导航，并以前所未有的毁灭性精度瞄准敌人的炮兵。GPS开发者承诺的PNT能力的这些引人注目的演示最终说服了长期以来不情愿参与其创建的军方，该系统4.6. 减速带然而，在沙漠风暴之前，在1979年6月批准建立完整的卫星星座之后，对卫星导航的疑虑和误解以及对其军事价值的怀疑一直存在事实上，国防部长办公室取消了1980年至1982年的全球定位系统预算。虽然预算很快恢复，但在1981-1986财政年度削减了30%，即5亿美元这一削减将目标星座的规模减少了四分之一，减少到18颗卫星加上3颗备用卫星。它还减缓了更先进的下一代“Block II”卫星的开发到1988年，由于担心18颗卫星的系统会表现不佳，国防部将星座的卫星数量恢复Block II卫星的计划也被恢复[2]。尽管如此，预算问题继续拖慢全球定位系统的发展，造成新的和意想不到的技术和管理障碍，并延长了整个全球定位系统的建设时间轴。我们按照Mal Currie的要求开发了新的完整系统，预算与测试计划相同。钱总是一个问题，帕金森最初认识格林是因为他是斯坦福大学的一名研究生，后来在美国空军再入大气层飞行器项目中为他工作;当帕金森接管621 B时，他邀请格林加入卫星导航项目。格林后来在1985年至1988年担任GPS项目主任。尽管如此，GPS的一些挫折还是独立于美国军方内部的竞争和预算起伏而发生的。1986年的挑战者号航天飞机发射灾难使GPS卫星的发射停止，该卫星于1979年被分配给航天飞机舰队。用了两年的时间才重新开始使用德尔塔II型火箭发射。尽管如此，当其他军事项目看到使用GPS支持自己目标的机会并增加导航系统的预算时，该项目受益匪浅当美国海军需要一种方法来跟踪在广阔海域发射的三叉戟导弹的测试时，帕金森和詹姆斯·斯皮尔克（James Spilker），一位数字通信先驱和GPS设计的主要贡献者，提出了一种使用GPS信号来完成这项工作的方法国防部接受了这一提议，使该项目四颗卫星演示阶段的GPS卫星数量增加了两颗，从美国海军转移了美国核裁军计划还通过在卫星上增加核爆炸传感器来提供GPS萌芽增长。这些传感器旨在帮助评估核打击，还监测1968年《核不扩散条约》的遵守情况。根据格林的说法，增加这些传感器不仅仅是提供所需的资金。在整个全球定位系统得到最后核准之前，预算分析的结论是，图8.第八条。（a）1977年由现在称为罗克韦尔柯林斯的公司制造的第一个军用全球定位系统五通道接收器是为飞机设计的重量超过120公斤，该装置被安装在美国空军的设备飞行测试托盘上。（b）1978年，两名士兵测试了约11公斤的全球定位系统“便携式”接收器的早期型号（c）2017年采用最先进的GPS芯片Credits：Rockwell Collins（public domain）;USAF（public domain）; Wikimedia Commons（CC0 1.0）.P. Weiss工程7（2021）290298提供足够的军事用途，格林说4.7. 启动和运行在1995年7月，沙漠风暴后仅仅几年，美国空军宣布GPS的全面运作-大约22年后，1973年批准了四颗卫星的概念演示[13]。同年，随着苏联解体，GLONASS卫星系统转移到独立国家俄罗斯，宣布24颗卫星阵列完全投入使用，仅用于军事用途。但该星座很快就陷入失修，到2002年缩减到7颗卫星，并引发俄罗斯的修复，使该系统再次全面投入使用[14]。现在，经过25年的运作，GPS除了GLONASS之外还有其他公司。中国最近完成了名为北斗的全球导航卫星系统，并于2020年6月23日发射，将星座的大小增加到其全部卫星。欧盟的伽利略系统已接近完成，预计到2022年将拥有24颗现役卫星和6颗备用卫星。‘‘TheChinese system and Galileo are comparable to GPS, but GLONASShas never been a competitor to GPS in terms of quality of signalsor 全球导航卫星系统专家、德克萨斯大学奥斯汀分校航空航天工程和工程力学副教授托德？汉弗莱斯（Todd Humphre