为什么美国军方免费开放GPS给全世界使用?

移动数字设备中大部分数据几乎都与”它“有关。有许多的APP依赖于”它“,而且”它“还是免费的。不论我们身处何处,”它“都能使手机指引我们前往正确的方向 。甚至在未来,”它“可能也是自动驾驶车功能的关键之一。

而”它“当然就是全球定位系统(Global Positioning System,简称GPS)。

这群卫星的建造和发射就花费了高达120亿美元,但在世界各地使用它几乎都是免费的。

其实,它并不是真正免费的。美国纳税人负担了这笔款项,每天支付约200万美元来维持及运作这个系统。但原本并不是每个人都可以使用,这些卫星原本是设计给军方使用,为其提供准确的位置信息,任何在地球上的飞机、船只甚至是士兵都可以使用GPS。

而第一颗全球定位卫星Navstar 1于1978年2月22日透过Atlas火箭进入轨道,接下来的七年,其余十颗GPS卫星也成功地进入地球轨道,在十二个发射计划当中,只有Navstar 7发射失败。

这些第一阶段的卫星验证了该系统的能力,并从中吸取经验应用到第二阶段的卫星。该计划将发射24颗GPS卫星,为美军提供能够覆蓋全球的GPS,这24颗GPS卫星可确保至少4颗卫星在任何时候 都能与地球表面上的任何一个点直接相连,由此来确保这些GPS卫星可以透过三角测量来准确的指出你在地球上的位置。

由于地球的轨道是可预测的,所以我们可以确切地知道卫星在哪里,再加上地面站的定期检查,以确保卫星的位置跟我们预期是一样的,GPS卫星不断地传送无线电信号到你的手机接收器,这些信号告诉你的手机卫星在哪、什么时候传送讯号,从而让接收器来计算卫星离你多远。

因为无线电信号的传递速度是以光速来传递,每个卫星告诉我们我们在X公里之内,因此我们可以知道自己身处于这个X半径的圆的圆周上,从四颗卫星获取的信息可以让我们组合一个球体,通过查看它们相交的位置来准确地知道我们在地球上的位置。

时间的准确度对于系统的正确性是非常重要的,二十到三十奈秒的误差将使距离测量值不准确,因此每个卫星都拥有最准确的计时装置,也就是原子钟。但碍于其尺寸和成本,原子钟不能用于手机,所以GPS卫星也不断地更新手机的时间 以确保接受器能够准确地计算手机到卫星的距离。

为了保持时间测量的准确性,我们甚至必须考虑狭义相对论的影响,因为地面上的接收器运动得比轨道上的卫星还慢。卫星是以每小时移动14000公里的机器,狭义相对论预测,原子钟经历的时间比地球上还慢,大约每天慢七微秒。

此外,卫星在行星表面上两万公里的轨道上,地球的重力对时空曲率的影响较小,广义相对论告诉我们,越靠近地球时间过得越慢。因此,如果我们计算地球表面上的重力引起的时间膨胀,然后再计算距行星表面两万公里的时间膨胀,我们可以得知,时钟每天大约会误差四十五微秒。

由于这些影响,我们必须使每颗卫星上的时钟比地球上的时钟快三十八微秒,如果没有考虑到这种影响,GPS的计算每天将失去十公里的准确性,而让它完全变成废物。

但是由于这些聪明的工程师和爱因斯坦的难以置信的发现,让我们在手机上拥有全球定位系统,准确度约在5公尺左右,但正如我刚才所说,普通市民并不总是能够使用这个系统,它只给军方使用,向大众开放这个系统可能会对美国造成潜在的危险。毕竟,导弹也是使用这个系统来导航。

美国向大众开放这个系统的动机出现在1983年,当时苏联 Su-15导弹击落了一架进入偏离其预定路线而进入苏联禁区的韩国客机。如果有新的导航系统可用,也许就会避免出现这种错误。所以在1983年9月16日,美国总统雷根宣布全球定位系统将免费提供给民用。但有个保留条件,那就是这个信号将受一定程度的影响,进而使它的准确率降低至一百公尺。它虽然还是有用的,但如果用今天的标准来看,它似乎不是那么准确。这是为了保持美军战术上的优势,防止系统被恶意使用。

直到西元2000年,柯林顿总统签署了一项法案终止了干扰行为,并向全球开放了高准确度的GPS。这么做之后,可为美国的公司带来庞大的经济优势。在2013年,纽泽西州的一名卡车司机,想通过一个小的干扰器,对老板隐瞒自己的GPS定位。但是每次他开车路过,纽瓦克机场的GPS导航系统都会被意外中断。这种干扰技术非常容易被追踪到,美国还可以随时剥夺这些设备的GPS功能,并使世界各地依赖此技术的企业瘫痪。更重要的是,藉此带来的战略优势。美军过去在伊拉克等地区干扰了敌军的GPS信号,这对美国来说是很容易的事情。

因此,世界各国开始发展他们自己的GPS系统,俄罗斯拥有自己的二十四颗GPS卫星,所以不需要美国的GPS系统。如今中国和欧洲也有了自己的系统,而日本在地球轨道上有两颗GPS卫星来增加特定城市的GPS可用性。这些卫星已经规划好了轨道,以确保在任何时候可以直接使用。最后,印度拥有7颗自己的卫星来定位自己国家的土地。

在所有太空计划中,这个工具可能是最被低估的一项,一个简单的无线电信号,就可以帮我们的养殖户操作无人牵引车来管理他们的土地,商业渔船使用GPS来导航和寻找钓鱼地点,航空业将GPS用于导航和避免空难,即使无人机也不可能没有它,因为任何使用DJI无人机的人都知道,必须连接至少6颗卫星它才能飞。

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