NASA或将实现高精度GPS

美国国家航空航天局（NASA）的喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory, JPL）在全球定位系统（GPS）的早期就参与了相关研究，因为JPL的研究人员有追踪类星体（宇宙中最明亮的天体）发出的无线电信号的经验。
版权：NASA / 欧洲航天局（ESA）

通过NASA开发的算法和软件，你能够导航到达距离你三英寸之内的离目的地。这使得NASA系统增强了由美国空军GPS卫星提供的原始导航信号，以支持世界各地的飞机导航、应急响应人员指挥，并将很快可以实现自动驾驶汽车导引。

美国空军从1978年开始发射全球定位卫星，直至今日仍在继续运营和维护卫星网络。但在过去的几十年里，NASA在改善我们日常生活所依赖的GPS系统方面发挥了至关重要的作用。

GPS卫星在地球上空数千英里的轨道上运行，这意味着当它们发送的信号穿过大气层时，会出现延迟和失真。这些信号还会受到卫星位置误差、卫星原子钟的噪声和频率漂移的影响。

因此，基于GPS原始数据的位置可以相差30英尺。相比之下，NASA的全球差分GPS系统（Global Differential GPS, GDGPS）的校正结果可以精确到3英寸以内。

在第一批GPS卫星发射的时候，NASA位于加州帕萨迪纳的喷气推进实验室（JPL）就已有处理远距离无线电信号的长期经验。例如，在20世纪60年代，NASA通过一个射电望远镜网络和一种被称为甚长基线干涉测量（very large baseline interferometry）的技术来追踪来自遥远类星体的无线电信号，类星体是宇宙中最明亮的天体。

通过测量来自这些类星体的相同无线电信号被世界各地不同望远镜接收到所花费的时间，JPL的科学家们能够得到关于地球大小和形状的高度精确图像（被称为大地测量学）。

在20世纪80年代早期，JPL开始建立一个跟踪GPS卫星的网络，在已设有甚长基线干涉测量追踪站点的地方建立了第一批地面站。这些地面站作为已知的固定点，帮助科学家校准GPS提供的位置信息。如今，该网络已涵盖全球80多个接收器。

建立地面站仅仅个开始。另一个关键部分是软件：JPL创建了用于建模延迟的算法，纠正误差，执行GPS定轨和接收机定位。。该程序被称为GPS推断定位系统和轨道分析仿真软件（GPS-Inferred Positioning System and Orbit Analysis Simulation Software, GIPSY-OASIS），GIPSY-OASIS很快成为了NASA授权范围最广泛的软件项目之一。

然而，通过电话调制解调器从网络收集跟踪数据需要数小时甚至数天的时间，而软件需要数天的数据来实现定轨。

在20世纪90年代中期，在NASA深空网络（Deep Space Network, DSN）的部分资助和互联网的帮助下，JPL开发了实时GIPSY软件。该程序可以通过互联网接收来自远程站点的一系列测量数据，并以每秒的频率对轨道和时钟进行实时修正。

2000年，NASA地球科学技术办公室（NASA’s Earth Science Technology Office）的另一项重要投资帮助JPL建立了发射可靠的、全球性的、实时服务所需的操作技术并配备了相关基础设施，GDGPS由此诞生。JPL负责管理GDGPS的Yoaz Bar-Sever表示：“随着互联网的普及，我们能够在全球范围内仅需几秒钟即可定轨，这给我们带来了很多行业机遇。”

虽然NASA仍然是GDGPS的主要用户，但关于GDGPS正在进行的开发几乎完全由其他政府用户和商业公司资助，这些赞助商通过《太空法案》（Space Act）的可补偿协议为这项服务付费。

安全、智能手机和社交媒体

JPL的全球差分GPS系统的第一个主要商业客户是约翰•迪尔（John Deere），他曾与JPL的科学家们密切合作，使全球差分GPS系统实用于自动驾驶的农机设备上，这项技术最终将使高效的精准农业在全球推广普及。
版权：iStock.com

[rml_read_more]

Bar-Sever表示：JPL认识到“全球范围内的实时GPS处理或许是革命性的。但我们仍对我们正在建设的新能力的影响范围感到惊讶。”

GPS早期的应用之一是手机地理定位，尤其是在紧急呼叫时。

本世纪初，美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission）要求所有手机服务提供商都具备能够立即定位911呼叫者的功能。Comtech电信公司寻求了NASA的GDGPS提供帮助。

Comtech的高级定位服务产品经理Tsega Emmanuel解释道：在紧急呼叫时，可以通过移动信号塔和GPS卫星网络来确定初始的粗略位置。然后公司的定位引擎将使用JPL数据来精确定位。由于呼叫者可能不会一直停留在同一个地方，定位引擎将根据呼叫者的位置定期更新相关定位信息。

除了提高可靠性和安全性之外，辅助GPS功能也是智能手机导航应用程序“首次定位时”（time to first fix）很短的原因 – 它们几乎可以立即定位自己，而不像汽车上的GPS部件需要一定时间来获得卫星连接。

如今，Comtech为美国大约一半的手机用户以及世界各地数百万手机用户提供紧急定位信息。

在GDGPS的帮助下，Comtech已成为全球领先的导航、社交媒体甚至宠物跟踪定位服务提供商之一。关于这些应用，设备制造商或应用程序编写人员以自己的名义创建和销售产品，但依旧依赖Comtech对JPL数据的访问进行定位。Comtech每个月在全球范围内处理计算的地点超过100亿个。

Emanuel表示：JPL的系统“是价值链的一部分。如果我们没有它，我们就无法获得准确的位置。我们也就不会有产品。”

准确性带来新的可能性

Comtech是全球差分GPS系统最早的商业客户之一，它利用这些数据为第一反应者（first responders）手机紧急呼叫提供位置信息，该服务的范围涵盖大约一半的美国手机用户和全球其他地方的数百万人。
版权：iStock.com

但精密GPS的应用远远超出了手机定位的范畴。在其他用途中，它为美国联邦航空管理局（Federal Aviation Administration, FAA）的广域增强系统（Wide Area Augmentation System, WAAS）奠定了基础，北美成千上万架飞机均使用WAAS来导航和引导着陆。WAAS及其在日本和印度的使用均是基于实时GIPSY软件，JPL在雷神（Raytheon）公司和FAA的支持下对该软件进行了改善。

GDGPS还使现代自动化精准农业成为可能：尽管约翰•迪尔（John Deere）最终为自动驾驶农机设备开发了自己的导航技术，但正是早些时候与JPL的合作经验帮助开发了这项技术并使其脱颖而出。如今，精准农业节约了农民的资源，提高了产量，并在全球范围内减少了污染。

自2002年以来，美国空军已经赞助了一个专门为军方的GPS操作员提供大量关于卫星性能的实时监测信息的JPL服务。Bar-Sever表示：“在支持GPS的运行方面， GDGPS 为提高整个GPS事业的可靠性做出了积极贡献。”

JPL团队继续与空军和其他赞助商合作进行升级。2014年，下一代软件RTGx取代实时GIPSY成为GDGPS的运行引擎。RTGx将成为空军GPS操作的导航软件。

这些升级将有助于推动未来的创新。例如，JPL团队正在努力实现能够指引自动驾驶汽车的前所未有的准确性。Bar-Sever表示：“该行业要求的准确性和可靠性很难达到。在客户群体的支持下，我们正在努力实现这一目标。”

他指出，GDGPS的许多客户都会分享不断更新系统功能的负担和好处，这在快速发展的卫星导航领域是必要的。

Bar-Server表示：“一个自给自足的系统正在涌现，为其客户和NASA提供了许多投资回报。”这是NASA对世界各地人民带来的巨大价值的典范。”

来源：

https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/spinoff/Highly_Accurate_GPS_Is_Possible_Thanks_to_NASA