SpaceX推迟发射!什么是第三代GPS?

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3 现在我们在用哪些GPS卫星?

现在在用的卫星有11颗是BlockIIR型号,这种型号沿用了军民信号分开的设计。不过在克林顿执政时期,已经不再区分民用军用,所有GPS信号一视同仁都是军用级别的1米定位精度。克林顿取消定位精度的时间是2000年,所以这一代卫星还是分开的军民信号,当然实际使用的时候因为没有了干扰的SA码军民是一样的。这些GPS卫星是1997-2004年陆续发射上天的.

SpaceX推迟发射!什么是第三代GPS?

BlockII R型GPS卫星,最后一代区分军民定位精度的产品

2005-2009发射了7颗现在正在用的BlockIIM型号GPS卫星,增加了军用信号的抗干扰能力,并且可以调整军用信号强度。

SpaceX推迟发射!什么是第三代GPS?

现在使用的BlockII F卫星新的原子钟让定位更准

2010-2016发射了12颗BlockII F型GPS微信,寿命从7.5年增加到了12年,使用了新型原子钟提高定位精度。以上所有的这些组成了我们今天GPS信号的30颗卫星,虽然理论上24个就够了,但在新陈代谢的过程中,实际服役的要比理论上的多。

4 定位精度的奥秘:原子钟与相对

GPS的定位原理其实并不复杂,只要GPS卫星不断的发送自己的时间、位置信号,手机端接收到多个GPS的信号就可以确定自己的三维坐标位置。一共需要坐标的XYZ及时间T四个常量,这也是GPS设计的时候要求至少收到4个卫星信号的原因,3个卫星是无法定位的。

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GPS如何工作的(图:si)

这其中时间的单位T就很重要,因为轨道高度只有两万公里,对于以光速传播的电磁波来说瞬间就到了地球,这个时间越准,那么定位精度就越高,所以GPS卫星上的原子钟一直在升级。

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GPS卫星上使用的铷原子钟(图:si)

早期试验型卫星采用由霍普金斯大学研制的石英振荡器,相对频率稳定度为  10^{{-11}}秒。误差为14m。1974年以后,GPS卫星采用铷原子钟,相对频率稳定度达到 10^{-12}/秒,误差8m。1977年,BLOCK II型采用了马斯频率和时间系统公司研制的铯原子钟后,相对稳定频率达到10^{-13}/秒,误差再降为2.9m。1981年,休斯公司研制的相对稳定频率为 10^{-14}/秒的氢原子钟使BLOCK IIR型卫星误差降至仅为1m。新的BlockII F卫星使用的则是使用了两个铷钟一个铯钟,时间信号精度比Block IIR再提高一倍。

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狭义相对论和广义相对论共同作用下,GPS的时钟比地球快(图:worldpress)

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