據國外媒體報道,全球定位系統已經成功運行了25年之久:全球定位系統在現代生活中的重要性是不言而喻的,自從1957年第一顆人造衛星發射以來,短短數十年間人類的航天技術已經取得了驚人的進步,美軍是最早開始研究并部署導航衛星的國家,早期的子午衛星系統就是一個典范之作,可以為海軍艦艇提供導航服務。現在美國已經擁有了強大的全球定位系統,第一顆全球定位系統工作星在1989年2月于卡納維拉爾角發射場發射升空,目前該系統已經運行了25年之久,是現代世界的奇跡之一。
全球定位系統共有24顆衛星在軌運行:全球定位系統已經成為現代生活中不可分割的一部分,智能手機應用、導航、救災、軍事等領域都嚴重依賴衛星定位,該系統共有24顆衛星在軌運行,分別部署在6個軌道平面上,每個軌道平面上部署3至4顆導航星,其中21顆為工作星,3顆為備用星,軌道平面與地球赤道面的夾角為55°,平均軌道高度為2萬公里左右,一個軌道周期接近12個小時。因此在地平線上的衛星最多可以達到11顆,在地球上任何一個地方可以看到4顆以上的導航星,可以滿足一定的導航需求。
為了實現全球定位,我們至少要獲得4顆導航星的信號:我們現在所使用的手機、車載GPS定位和導航功能都是基于這個系統,如果你可以獲得兩顆或者三顆衛星的參數,那么就可以通過三角測量計算出自己在地球上的位置,當所有的導航星都處于工作狀態時,我們任意獲得至少4顆衛星的信號就可以得知自己高度、速度和移動方向。
愛因斯坦的相對論是全球定位系統成功運行的重要基礎:為了進行精確的測量,全球定位系統需要極為精確的計時,這就是為什么每顆衛星都會攜帶高級原子鐘,這一原理來自愛因斯坦的相對論,時空上的變化使得衛星上的時間和地面上的時間存在差異,因為衛星運行的速度更快,這就會導致衛星上的時間與地面上的時間存在每天38微秒的變化,如果沒有采取措施,那么全球定位系統將無法正常工作。
早期的導航衛星主要為核潛艇服務:全球定位系統誕生于太空競賽,1957年蘇聯發射了人造衛星,科學家認識到衛星的制高點可以實現對地面某一點的導航和定位,這就像多普勒效應那樣,當人造衛星接近你時,無線電信號波長就會被壓縮,遠離你時波長就會被拉伸。此后科學家開始通過第一臺商業計算機計算人造衛星的軌道,并為潛射彈道導彈服務。
GPS系統是目前世界上最先進的全球定位系統:早期的全球定位系統是非常昂貴的,一個具備全球定位的衛星系統花費相當于今天的80億美元,當時主要為美軍的核潛艇服務,因為在潛艇發射導彈的時候需要準確知道自己的位置。目前GPS系統也是世界上唯一高效的定位系統,俄羅斯和中國的定位系統整體情況仍然無法與GPS相提并論,美軍擔心GPS技術被敵人所利用,因此降低了民用領域的定位精度,起初定位精度控制在100米,現在逐步放寬到5至10米。