人家中国已经有“北斗”了,那咱就定向的关掉中国区域GPS信号吧?
网友【USA】于【太平洋时间 2020-06-25 10:43:25】分享在【精美灌水版块】版块    6642    1    10

2020年6月23日,北斗卫星导航系统第55颗卫星搭乘长征三号乙运载火箭从西昌卫星发射中心成功升空,北斗收官之星点火升空标志着北斗增强中国技术独立性得到充分体现。有朋友说“现在好了,我们再也不用担心美国人切断信号,不给我们使用GPS了!”

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北斗卫星

GNSS (全球卫星导航系统 Global Navigation Satellite Systems) 是怎么提供授时和定位服务的?美国真的能够切断卫星信号,不允许某个国家或某个地区使用GPS定位吗?我们今天就来分析分析。

GPS是灯塔

时常见到有人讲“美国是灯塔”,不过近几年来由于众所周知的原因,坚持这种看法的人少了许多。但是,包括美国GPS(全球定位系统 Global Positioning System)和中国北斗系统在内,大部分的卫星定位系统却是实实在在的太空灯塔。

对于常年航行于海上的水手来说,灯塔是再熟悉不过的老朋友,它不发声,只是日复一日周而复始地用灯光告诉来往的航船:“我在这儿,我在这儿,我在这儿......”。水手们依靠灯塔的闪光辨明方向,避开浅谈暗礁,顺利出航,平安返乡。

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灯塔为航船提供了定位导航功能

GNSS的卫星们绕着地球飞行,看起来要高大上许多,其实它们干的活儿跟灯塔一样,每时每刻都在不停地向地球发射信号:“我在这儿,我在这儿,我在这儿......”。渐渐地,水手们不再抬头瞭望灯塔,而是低头察看卫星接收器的屏幕。GNSS抢了灯塔的饭碗,因为它提供的信号要精确许多许多倍。

GPS是如何定位的?

GPS全称为“全球定位系统” Global Positioning System),它与中国的北斗系统、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)和欧洲的伽利略系统(Galileo)都属于GNSS的一个分支,功能也都类似:主要提供空间定位与授时服务。

GPS由24颗围绕中圆地球轨道飞行的卫星以及地面控制站构成,卫星轨道距离地面高度约20200公里,每天绕地球飞行两周;这24颗卫星被平均分配在6个等距离的倾斜轨道上,每个轨道上4颗卫星,它们的间距也大致相等;2011年,美国又追加发射了一些卫星,一部分用于替换退役卫星,另一些用于扩展,以增加覆盖范围、提升定位精度。

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GPS卫星群

每一颗卫星的轨道都经过极精确的计算,通过设在地面若干个基准点,我们可以知道任何一个时刻卫星相对于地球坐标系的准确坐标;丈量我们与三颗处于不同位置卫星的距离,就能通过三边测量法计算出我们自己的坐标;事实上为了更准确地计算,卫星接收器会同时接收并计算四颗卫星的数据。

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通过计算与卫星间的距离和三边测量法可实现坐标定位

问题是没有任何一根尺子能丈量2万公里这么远的距离,更何况卫星时刻都在变换位置,怎么办呢?科学家们想到了光。光的速度是299792458米/秒,光是电磁波,我们只需测量出一串代码从卫星到达接收器的时间,便能计算出二者间的距离。

科学家在卫星上和地面站都安装了频率极高的铯原子钟,铯原子在两个超精细基态之间的振动频率是9192631770Hz,每一个振动周期里,光跑的距离大约是3.26厘米。这样,当卫星与地面时钟频率保持同步,我们就能得到精确的传输距离了。

GPS信号是公开的

GPS是冷战的产物,它首先是应美国军方的要求而设计的,民用只是这个系统的一个衍生部分。美国军方对GPS的精度要求很高,因此卫星发送P代码的码片速率达10.23Mchips/s,是民用版本C/A码的十倍以上。P码是公共的,它在信号上附加了一个W密码序列生成一组保密的Y代码,你只有得到了这组P(Y)码才能实现米级的测量,最终通过几颗卫星的合并计算得到厘米级的定位精度。

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GPS因冷战而生,为美军导航

民用版本的信号其实也源自于同一个代码,只不过GPS系统将其进行了模糊化的处理,人为降低了精度并且这个精度范围是可控的。C/A码发送频率为1毫秒/次,这使每个码片对应于293米的距离,经过接收器芯片对这些代码跟踪计算,可以将测量误差控制在米级。

P(Y)码供美国军方使用,如果民间需要精度极高的测量,比如桥梁施工打桩定位,需要向美国军方申请,等批准并付钱后才能使用,时间一到这组码就作废了。但C/A码是公开的,谁都可以用,这不是福利,而是战略,并且你的定位芯片在制造时就向美国付过了钱。

美国可以阻断GPS信号吗?

当然可以!但这意味着它自己也用不成了,所以美国不会阻断它。

美国切断某一个国家或某一个地区的GPS信号要付出什么代价?这一点我们需要分析。

前节我们已经介绍了美国GPS卫星运行于距离地面约20200公里的中圆地球轨道上,卫星天线发射信号范围约28°,它覆盖地球的圆心角大约为152°。在每一条地球中圆轨道上分配了4颗卫星,在大多数地区我们在任一时刻大约可以同时看到同一轨道上的两颗卫星,这两颗卫星所覆盖的圆心角大约为242°。

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为你定位的卫星实际上还覆盖了大半个地球

由于美国GPS星座共有24颗卫星分配在6条不同轨道上,也就是说我们在同一地点多数时间可以同时接收到6颗以上卫星发出的信号,最多时能搜到10颗卫星。

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地平线上方同时有6颗以上的GPS卫星

GPS军用的P码经过加密,未经授权无法解密信号;但民用的C/A码是公开的,任何人只要有它的芯片和算法都可以使用,你要想关闭某一个地区的GPS只能选择让运行于这个地区地平线以上的大部分卫星不广播信息,这意味着地球表面一半以上的地区都受到影响。换句话说,如果美国想关掉伊朗的GPS,整个欧洲、亚洲、非洲都无法定位了,这个代价有点大。

总结:

我们在文章的开头将GNSS卫星比作灯塔,这是一个贴切的比喻。包括GPS在内的GNSS卫星都在它们各自的轨道上飞行,并时刻将自己的坐标信息向地面广播;地面上所有的接收设备都可以收到卫星广播信号。

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GPS已经广泛渗透入社会经济的方方面面,影响巨大

接收设备通过计算它与四颗卫星的相对距离来确定自己的坐标位置,计算的精度与卫星信号的频率有关,也与设备本身芯片的计算能力有关。军用信号是加密的,民用频率大家都可以用。

鉴于GPS卫星的广播性质,美国要想限制某一个国家或地区的民用GPS信号,付出的代价就是其全球盟友的GPS都无法使用,出于担心,大家会倒向GPS的竞争对手,因此美国不会这么做。

撰文:头条号 @老粥科普

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10   2020-06-25 10:43:25  回复

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