基础设施的过去、现在和未来案例集/GPS：全球定位系统

此案例集是 Andrew Shibley 和 Sean Thiltgen 对全球定位系统 (GPS) 的案例研究，作为基础设施的过去、现在和未来的一部分：CEIE 499-002 2023 年春季课程，在乔治梅森大学的Schar 政策与政府学院和Volgenau 工程学院 的 Sid 和 Reva Dewberry 土木、环境和基础设施工程系。以交通系统案例集为蓝本。在 Jonathan Gifford 教授的指导下。

GPS 卫星

摘要

全球定位系统，更广为人知的是 GPS，是美国拥有的公用事业和技术，它改变了我们所知的基础设施。总的来说，GPS 为用户提供定位、导航和计时 (PNT) 服务。该系统由三个不同的部分组成。它们是：空间部分、控制部分和用户部分。美国太空军控制和维护空间部分和控制部分。

    空间部分由多个向用户传输数据的卫星组成。美国太空军已经运行了 31 颗卫星超过十年。被称为“GPS 星座”的卫星被排列成六个等距的平面，围绕地球。每个平面包含四个由卫星占据的空间。这种安排确保用户几乎可以从地球上的任何一点看到至少四颗卫星。太空军通常在每个平面的卫星被修理或退役时，运行超过 24 颗 GPS 卫星。通常，这些额外的卫星可以提高 GPS 性能。

    控制部分由一个遍布全球的设施网络组成，这些设施跟踪 GPS 卫星，监控其传输，执行分析并向 GPS 星座发送命令。当前的操作控制段 (OCS) 由一个主控制站、一个辅助主控制站、用于命令的 11 个天线和 16 个监测站组成。这些设施的位置可以在此案例集的位置地图和图表部分看到。

用户部分顾名思义，围绕 GPS 用户展开。与互联网、铁路或高速公路一样，GPS 是全球基础设施的重要组成部分。GPS 的创新直接导致了数百种应用程序的开发，这些应用程序影响了当今生活的方方面面。GPS 技术现在已经应用于从手机到汽车、飞机和 ATM 的所有事物中。GPS 对于美国国家安全也很重要，其应用已融入美国军事行动的几乎所有方面。几乎所有新的军事技术都集成了 GPS。

参与的行动者和机构

公共行动者

国家空间定位、导航和计时执行委员会：执行级咨询委员会，为其下属的成员机构和组织提供指导。

在该委员会的领导下，以下美国政府组织和机构运营、管理和/或使用美国拥有的 GPS 系统。

美国国防部 - 国防部是美国 GPS 系统的主要运营机构，并负责获取、承包、维持和保护其卫星、控制部分和军用设备。

美国交通部 - 运营广域增强系统 (WAAS)，该系统为美国飞机提供增强的导航信息。交通部还担任 GPS 相关问题的牵头民用机构。

美国国务院 - 协调美国关于 GPS 的外交政策目标，并领导美国代表团参加处理 GPS 频谱分配和讨论的国际活动、组织和委员会。

美国内政部 - 将 GPS 用于各种政府活动，包括：测量；地理信息系统；和土地管理。

美国农业部 - 开展 GPS 在农业应用方面的研究，并将 GPS 技术集成到制图和灭火/保护计划中。

美国商务部 - 管理和运营美国境内的连续运行参考站 (CORS) 网络，以及与 FCC 共同管理 GPS 使用的无线电频谱。

美国能源部 - 利用 GPS 系统同步和管理美国电网，包括检测和管理继电站和故障保护系统。

美国国土安全部 - 报告和维护涵盖国内和国际民用 GPS 使用的停用和干扰的数据库。通过海岸警卫队导航中心 (NAVCEN) 和民用 GPS 服务接口委员会 (CGSIC) 提供民用 GPS 支持。

美国参谋长联席会议 - 在 GPS III 项目下监督和验证当前和未来 GPS 系统现代化的需求。

美国国家航空航天局 - 运营全球差分 GPS 系统和国际 GNSS 服务的参考站。美国宇航局还为空间 GPS 系统提供新技术研究，以及为老化卫星提供新用途。

私人行动者

洛克希德·马丁公司 - 自 1997 年以来，洛克希德·马丁公司一直是美国 GPS 卫星的主要制造商，并且一直是负责继续生产和现代化空间机队的主要私营公司。

TomTom - 一家荷兰 GPS 接收器制造商，是第一家以 SatNav 的形式提供商业民用 GPS 接收器的公司之一。

雷神公司 - 雷神公司获得了下一代 GPS 操作控制系统 (OCX) 合同，该合同旨在与 Block III 现代化协同工作，提供更好、更强大的控制系统。

事件时间线

早期阶段

1960 年代：GPS 的起源始于人造卫星时代，当时科学家能够通过其无线电信号的变化来跟踪卫星。美国海军开始进行卫星导航实验，以跟踪携带核导弹的美国潜艇。潜艇能够看到卫星的变化并在几分钟内找到潜艇的位置。

1960 年后：美国高级研究计划署 (ARPA) 利用从“Sputnik”时代获得的原理开发了“Transit”。这是世界上第一个全球卫星导航系统。第一颗卫星能够为军事和商业用户提供导航服务。到 1968 年，36 颗卫星全面投入运行。“Transit”以将地图精度提高近两个数量级而闻名。这有助于提高人们对卫星导航的接受度和整体需求。^[3]

20 世纪 70 年代初：美国国防部利用之前海军科学家提出的想法，开始使用卫星来支持其提议的导航系统。他们随后创建了这个导航系统，并在 1978 年发射了第一颗“具有计时和测距功能的导航系统”(NAVSTAR) 卫星。该卫星系统将在 1993 年全面投入运行。^[3]

1972 年：空军上校布拉德福德·帕克森 (Bradford Parkinson) 被任命为卫星导航计划的负责人。帕克森领导一个团队创建了一个概念，该概念汲取了“Transit”的精华。该系统提案于 1973 年 12 月获得国防部的批准，采用 24 颗卫星的一路系统。^[3]

1974 年：这种方法始于空军开始开发一系列“Navstar”卫星中的第一颗卫星、地面控制系统和各种类型的军用用户设备。^[span>3]

取得进展

1978 年：第一颗“Block I 开发型 Navstar/GPS”卫星发射升空。同年年底，又发射了三颗卫星。^[3]

1980 年：又发射了额外的 GPS Block I 演示卫星。

1983 年：罗纳德·里根授权将“Navstar”（现称 GPS）用于商业航空公司，以期提高航空旅行的导航和安全性。^[3]

走向民用

1984-1989 年：授权非美国军方行业免费使用 GPS 数据。这成为迈向民用的第一步。^[3]

到 1989 年，市面上出现了商用 GPS 手持设备。^[span>3]

在整个 90 年代，GPS 技术不断改进。

Benefon GPS

1999 年：Benefon 发布 Benefon Esc!，GPS 技术首次出现在手机中。这款手机配备了 GPS 功能，为更多手机铺平了道路。与此同时，全球定位技术也开始出现在汽车上。^[3]

2000 年：美国政府批准了为非军用用途添加三个额外 GPS 信号的计划。因此，GPS 信号对平民的精度提高了 10 倍。在此期间，GPS 接收器芯片的价格从 3000 美元降至 1.50 美元。^[3]

现今

2005 年：到这时，GPS 卫星已经包含了五种不同的配置，具有不同的功能。

2018 年：第一颗 GPS III 卫星在 SpaceX 猎鹰 9 号火箭上发射升空。

2019 年：第二颗卫星发射升空。

2020 年：第三和第四颗卫星发射升空。

剩余六颗卫星计划于 2023 年发射升空。

资金和融资

GPS 为美国政府所有并由美国政府运营，主要由美国国防部 (DoD) 提供资金。GPS 开发始于 20 世纪 70 年代，最初由美国军方资助用于其行动。然而，由于该系统迅速证明具有多种民用应用，包括导航、测量、制图和计时，美国政府开始为该系统扩展以用于民用目的提供资金。

在 GPS 的早期，大约在 1983 年，罗纳德·里根总统发布了一项指令，使 GPS 免费供平民使用。这导致对 GPS 设备和服务的 demand 增加，进而为开发和销售 GPS 产品的私营公司创造了收入。

如今，美国政府继续为 GPS 系统的维护和升级提供资金。这可能非常昂贵。2019 年，国防部为 GPS 运营预算了 14 亿美元，其中包括 8.37 亿美元用于卫星采购，4.82 亿美元用于地面控制。^[4] 此外，国会还拨款约 220 亿美元用于资助 2022 财年的 GPS 项目。^[5]

根据美国政府官方 GPS 网站，GPS 的剩余资金实际上来自纳税人的钱。这些资金随后通过国防部进行预算。此外，根据太空政策指令 7 的备忘录第 5 节，交通部负责资助民用信号性能监测以及所有涉及 GPS 的民用功能。换句话说：非军事应用。^[5]

苹果公司

除了政府的资金外，私营公司也投资 GPS 技术。这些公司通常专注于开发支持 GPS 的设备和应用。此类设备包括：智能手机、健身追踪器和车辆导航设备。帮助资助和开发 GPS 技术的一些主要公司包括 Garmin、TomTom 和苹果。

美国政府还与其他国家合作，共同资助和开发 GPS 技术。欧盟利用与美国相同的技术，开发了自己的卫星导航系统，称为 Galileo，旨在与 GPS 兼容。2004 年，美国和欧盟签署了一项协议，建立了这种合作。^[6] 欧盟已向 Galileo 项目投资了超过 140 亿美元，并继续为其开发和运营提供资金。

总而言之，美国政府主要通过纳税人的钱为 GPS 系统提供资金并运营。但是，私营公司也为其开发和使用做出了贡献。政府对 GPS 技术的投资为私营公司带来了巨额利润，并催生了使用该系统的众多民用应用。此外，与其他国家的合作帮助扩展和改进 GPS 技术，使其成为导航、测量和制图的绝佳工具。

制度安排

全球定位系统为美国政府所有，由美国太空部队运营。与 GPS 有关的安排非常复杂，涉及许多不同的实体和机构。

在最高层面上，GPS 由美国政府（特别是国家空间定位、导航和计时 (PNT) 执行委员会）管理和监督。执行委员会是根据总统指令成立的，负责协调跨多个联邦机构的 GPS 相关事宜。该委员会由国防部副部长担任主席，成员包括来自多个政府机构的代表，包括商务部、国土安全部、交通部和美国宇航局。执行委员会负责制定政策并为 GPS 项目提供指导。^[7]

美国太空部队的印章

如前所述，GPS 系统的正常运行由美国太空部队负责，它是美国军方负责太空行动的一个部门。太空部队运营着许多不同的卫星系统，包括 GPS 星座，该星座由 20 多颗绕地球运行的卫星组成。太空部队负责维护和升级 GPS 系统，并确保其安全、稳定和耐用性。

除了政府之外，还有许多私营公司提供与 GPS 相关的服务。这些公司包括 GPS 设备和软件制造商，以及利用 GPS 数据提供导航中使用的定位服务的公司。例如，2018 年，苹果公司与国防部合作测试了一种新的 GPS 信号，该信号将为 iPhone 提供更准确的定位数据。这些公司受联邦通信委员会 (FCC) 的监管。

参与 GPS 的最重要的机构之一是国际 GNSS 服务 (IGS)。IGS 是一个由 200 多个组织组成的国际网络，它们提供 GPS 和其他全球导航数据以支持科学研究。IGS 从多个不同来源收集数据，并使用这些数据创建准确的定位信息，可用于地震监测、气候研究和其他目的。

另一个与 GPS 相关的重大安排是联邦无线电导航计划 (FRP)。FRP 是一份文件，概述了美国政府对无线电导航系统的政策和计划，其中包括 GPS。FRP 会定期更新，以应对技术和政策的变化。FRP 也可以作为参与 GPS 的政府机构和私营公司的指南。

还有一些国际协议监督 GPS 的使用。这些协议包括美国与其他国家之间就 GPS 在军事和民用目的上的使用达成协议。这些协议还包括美国与国际民用航空组织 (ICAO) 和国际海事组织 (IMO) 等国际组织之间的协议。

与 GPS 相关的制度安排很复杂，涉及许多不同的政府机构、私营公司和国际组织。这些安排旨在确保 GPS 尽可能有效，并促进 GPS 在研究和广泛应用中的使用。

位置地图和图表

GPS 星座

这是对 GPS 星座的想象。

显示 GPS 地面位置的地图

政策和技术问题

公众可用性和政策

最初，当 GPS 首次创建时，主要的两个频段被分成公共访问和私有政府使用频率，从而创建了“选择性可用性”系统。随着公众越来越多地依赖 GPS 进行日常导航和定位，较低的民用频段开始显示其局限性。随着精度从最低 3.5 米到最高 15 米不等，美国政府认识到 GPS 在日常民用生活中的重要性。继这一认识之后，GPS 于 1996 年被归类为国家资产和重要基础设施，从而使公众能够访问上下 L 波段，将精度提高到 3.5 米，并为公众提供不受大气干扰降级信号的访问权限。

随着“选择性可用性”系统在 2000 年的停止，商用接收器的成本大幅下降，从而使更广泛的公众能够访问 GPS 定位。结果，目前的 Block I 和 Block II GPS 卫星无法满足用户的需求，因此必须进行 Block III 现代化项目。

技术问题

GPS 系统依赖于接收器与至少 4 颗轨道上的卫星之间的“视线”。当“视线”由于恶劣天气或接收器被大量内部铜线的建筑物遮挡而衰减时。由于大量干扰，接收器接收到的数据的精度变得非常不准确，导致位置数据出现很大的误差。

在 20 世纪 90 年代，这个问题不像今天那么普遍，因为许多现代建筑在整个建筑中都有更加密集和广泛的布线。解决此位置数据不准确或在建筑物中完全无法使用位置数据的问题的一些方法是，通过使用无线网络或蜂窝信号可以收集的信息来补充基于卫星的位置数据。这有助于绕过 GPS 的主要限制，即它需要在接收器的“视野”内。苹果和谷歌等公司已经开始实施此系统，以便在靠近物体或建筑物（否则会阻挡来自 GPS 卫星的信号）时提供更高的精度。

潜在的漏洞和未来问题

GPS 由于多种原因而特别容易受到攻击，并且具有可以以复杂和不复杂的方式被破坏的特定系统，这给其使用带来了问题。GPS 系统的一个此类漏洞是美国电网依赖 GPS 定时在中继器中使用以及在不断变化的电力系统中维护相位定时。根据美国能源部的数据，这些系统的中断有可能导致美国电网出现小规模停电或中断。 此类中断一直很小，但鉴于近地轨道和中地轨道的波长拥挤，其可能性可能会增加。

几个国际会议在 L1、L2 和 L5 波段的电磁频谱中划出了空间，这使 GPS 自创建以来在很大程度上免受噪声影响。自 20 世纪 90 年代末以来，越来越多的国家开始创建自己的卫星计划以及竞争的 GPS 系统。GLONASS 和北斗是俄罗斯和中国卫星系统的例子，它们直接竞争地面商业终端用户的使用。 这些努力以及商业和民用卫星计划的增加，导致近地轨道和中地轨道的波长拥挤问题。Block III 和 OCX 系统目前正试图解决其中一些问题。这是通过提供更多纠错软件以及新的地面站来实现的，这些地面站可以确保来自 GPS 卫星的信号在轨道和地面无线电空间更加拥挤的情况下保持准确和可靠。

讨论问题

你认为 GPS 应该继续由美国政府独家控制吗？

鉴于 GPS 与现代导航和日常生活之间的互连性，是否有必要增加其可用带宽和安全系统？