基礎設施的過去、現在和未來案例集/GPS：全球定位系統

此案例集是 Andrew Shibley 和 Sean Thiltgen 對全球定位系統 (GPS) 的案例研究，作為基礎設施的過去、現在和未來的一部分：CEIE 499-002 2023 年春季課程，在喬治梅森大學的Schar 政策與政府學院和Volgenau 工程學院 的 Sid 和 Reva Dewberry 土木、環境和基礎設施工程系。以交通系統案例集為藍本。在 Jonathan Gifford 教授的指導下。

GPS 衛星

摘要

全球定位系統，更廣為人知的是 GPS，是美國擁有的公用事業和技術，它改變了我們所知的基礎設施。總的來說，GPS 為使用者提供定位、導航和計時 (PNT) 服務。該系統由三個不同的部分組成。它們是：空間部分、控制部分和使用者部分。美國太空軍控制和維護空間部分和控制部分。

    空間部分由多個向用戶傳輸資料的衛星組成。美國太空軍已經運行了 31 顆衛星超過十年。被稱為“GPS 星座”的衛星被排列成六個等距的平面，圍繞地球。每個平面包含四個由衛星佔據的空間。這種安排確保使用者幾乎可以從地球上的任何一點看到至少四顆衛星。太空軍通常在每個平面的衛星被修理或退役時，執行超過 24 顆 GPS 衛星。通常，這些額外的衛星可以提高 GPS 效能。

    控制部分由一個遍佈全球的設施網路組成，這些設施跟蹤 GPS 衛星，監控其傳輸，執行分析並向 GPS 星座傳送命令。當前的操作控制段 (OCS) 由一個主控制站、一個輔助主控制站、用於命令的 11 個天線和 16 個監測站組成。這些設施的位置可以在此案例集的位置地圖和圖表部分看到。

使用者部分顧名思義，圍繞 GPS 使用者展開。與網際網路、鐵路或高速公路一樣，GPS 是全球基礎設施的重要組成部分。GPS 的創新直接導致了數百種應用程式的開發，這些應用程式影響了當今生活的方方面面。GPS 技術現在已經應用於從手機到汽車、飛機和 ATM 的所有事物中。GPS 對於美國國家安全也很重要，其應用已融入美國軍事行動的幾乎所有方面。幾乎所有新的軍事技術都集成了 GPS。

參與的行動者和機構

公共行動者

國家空間定位、導航和計時執行委員會：執行級諮詢委員會，為其下屬的成員機構和組織提供指導。

在該委員會的領導下，以下美國政府組織和機構運營、管理和/或使用美國擁有的 GPS 系統。

美國國防部 - 國防部是美國 GPS 系統的主要運營機構，並負責獲取、承包、維持和保護其衛星、控制部分和軍用裝置。

美國交通部 - 運營廣域增強系統 (WAAS)，該系統為美國飛機提供增強的導航資訊。交通部還擔任 GPS 相關問題的牽頭民用機構。

美國國務院 - 協調美國關於 GPS 的外交政策目標，並領導美國代表團參加處理 GPS 頻譜分配和討論的國際活動、組織和委員會。

美國內政部 - 將 GPS 用於各種政府活動，包括：測量；地理資訊系統；和土地管理。

美國農業部 - 開展 GPS 在農業應用方面的研究，並將 GPS 技術整合到製圖和滅火/保護計劃中。

美國商務部 - 管理和運營美國境內的連續執行參考站 (CORS) 網路，以及與 FCC 共同管理 GPS 使用的無線電頻譜。

美國能源部 - 利用 GPS 系統同步和管理美國電網，包括檢測和管理繼電站和故障保護系統。

美國國土安全部 - 報告和維護涵蓋國內和國際民用 GPS 使用的停用和干擾的資料庫。透過海岸警衛隊導航中心 (NAVCEN) 和民用 GPS 服務介面委員會 (CGSIC) 提供民用 GPS 支援。

美國參謀長聯席會議 - 在 GPS III 專案下監督和驗證當前和未來 GPS 系統現代化的需求。

美國國家航空航天局 - 運營全球差分 GPS 系統和國際 GNSS 服務的參考站。美國宇航局還為空間 GPS 系統提供新技術研究，以及為老化衛星提供新用途。

私人行動者

洛克希德·馬丁公司 - 自 1997 年以來，洛克希德·馬丁公司一直是美國 GPS 衛星的主要製造商，並且一直是負責繼續生產和現代化空間機隊的主要私營公司。

TomTom - 一家荷蘭 GPS 接收器製造商，是第一家以 SatNav 的形式提供商業民用 GPS 接收器的公司之一。

雷神公司 - 雷神公司獲得了下一代 GPS 操作控制系統 (OCX) 合同，該合同旨在與 Block III 現代化協同工作，提供更好、更強大的控制系統。

事件時間線

早期階段

1960 年代：GPS 的起源始於人造衛星時代，當時科學家能夠透過其無線電訊號的變化來跟蹤衛星。美國海軍開始進行衛星導航實驗，以跟蹤攜帶核導彈的美國潛艇。潛艇能夠看到衛星的變化並在幾分鐘內找到潛艇的位置。

1960 年後：美國高階研究計劃署 (ARPA) 利用從“Sputnik”時代獲得的原理開發了“Transit”。這是世界上第一個全球衛星導航系統。第一顆衛星能夠為軍事和商業使用者提供導航服務。到 1968 年，36 顆衛星全面投入執行。“Transit”以將地圖精度提高近兩個數量級而聞名。這有助於提高人們對衛星導航的接受度和整體需求。^[3]

20 世紀 70 年代初：美國國防部利用之前海軍科學家提出的想法，開始使用衛星來支援其提議的導航系統。他們隨後建立了這個導航系統，並在 1978 年發射了第一顆“具有計時和測距功能的導航系統”(NAVSTAR) 衛星。該衛星系統將在 1993 年全面投入執行。^[3]

1972 年：空軍上校布拉德福德·帕克森 (Bradford Parkinson) 被任命為衛星導航計劃的負責人。帕克森領導一個團隊建立了一個概念，該概念汲取了“Transit”的精華。該系統提案於 1973 年 12 月獲得國防部的批准，採用 24 顆衛星的一路系統。^[3]

1974 年：這種方法始於空軍開始開發一系列“Navstar”衛星中的第一顆衛星、地面控制系統和各種型別的軍用使用者裝置。^[span>3]

取得進展

1978 年：第一顆“Block I 開發型 Navstar/GPS”衛星發射升空。同年年底，又發射了三顆衛星。^[3]

1980 年：又發射了額外的 GPS Block I 演示衛星。

1983 年：羅納德·里根授權將“Navstar”（現稱 GPS）用於商業航空公司，以期提高航空旅行的導航和安全性。^[3]

走向民用

1984-1989 年：授權非美國軍方行業免費使用 GPS 資料。這成為邁向民用的第一步。^[3]

到 1989 年，市面上出現了商用 GPS 手持裝置。^[span>3]

在整個 90 年代，GPS 技術不斷改進。

Benefon GPS

1999 年：Benefon 釋出 Benefon Esc!，GPS 技術首次出現在手機中。這款手機配備了 GPS 功能，為更多手機鋪平了道路。與此同時，全球定位技術也開始出現在汽車上。^[3]

2000 年：美國政府批准了為非軍用用途新增三個額外 GPS 訊號的計劃。因此，GPS 訊號對平民的精度提高了 10 倍。在此期間，GPS 接收器晶片的價格從 3000 美元降至 1.50 美元。^[3]

現今

2005 年：到這時，GPS 衛星已經包含了五種不同的配置，具有不同的功能。

2018 年：第一顆 GPS III 衛星在 SpaceX 獵鷹 9 號火箭上發射升空。

2019 年：第二顆衛星發射升空。

2020 年：第三和第四顆衛星發射升空。

剩餘六顆衛星計劃於 2023 年發射升空。

資金和融資

GPS 為美國政府所有並由美國政府運營，主要由美國國防部 (DoD) 提供資金。GPS 開發始於 20 世紀 70 年代，最初由美國軍方資助用於其行動。然而，由於該系統迅速證明具有多種民用應用，包括導航、測量、製圖和計時，美國政府開始為該系統擴充套件以用於民用目的提供資金。

在 GPS 的早期，大約在 1983 年，羅納德·里根總統釋出了一項指令，使 GPS 免費供平民使用。這導致對 GPS 裝置和服務的 demand 增加，進而為開發和銷售 GPS 產品的私營公司創造了收入。

如今，美國政府繼續為 GPS 系統的維護和升級提供資金。這可能非常昂貴。2019 年，國防部為 GPS 運營預算了 14 億美元，其中包括 8.37 億美元用於衛星採購，4.82 億美元用於地面控制。^[4] 此外，國會還撥款約 220 億美元用於資助 2022 財年的 GPS 專案。^[5]

根據美國政府官方 GPS 網站，GPS 的剩餘資金實際上來自納稅人的錢。這些資金隨後透過國防部進行預算。此外，根據太空政策指令 7 的備忘錄第 5 節，交通部負責資助民用訊號效能監測以及所有涉及 GPS 的民用功能。換句話說：非軍事應用。^[5]

蘋果公司

除了政府的資金外，私營公司也投資 GPS 技術。這些公司通常專注於開發支援 GPS 的裝置和應用。此類裝置包括：智慧手機、健身追蹤器和車輛導航裝置。幫助資助和開發 GPS 技術的一些主要公司包括 Garmin、TomTom 和蘋果。

美國政府還與其他國家合作，共同資助和開發 GPS 技術。歐盟利用與美國相同的技術，開發了自己的衛星導航系統，稱為 Galileo，旨在與 GPS 相容。2004 年，美國和歐盟簽署了一項協議，建立了這種合作。^[6] 歐盟已向 Galileo 專案投資了超過 140 億美元，並繼續為其開發和運營提供資金。

總而言之，美國政府主要透過納稅人的錢為 GPS 系統提供資金並運營。但是，私營公司也為其開發和使用做出了貢獻。政府對 GPS 技術的投資為私營公司帶來了鉅額利潤，並催生了使用該系統的眾多民用應用。此外，與其他國家的合作幫助擴充套件和改進 GPS 技術，使其成為導航、測量和製圖的絕佳工具。

制度安排

全球定位系統為美國政府所有，由美國太空部隊運營。與 GPS 有關的安排非常複雜，涉及許多不同的實體和機構。

在最高層面上，GPS 由美國政府（特別是國家空間定位、導航和計時 (PNT) 執行委員會）管理和監督。執行委員會是根據總統指令成立的，負責協調跨多個聯邦機構的 GPS 相關事宜。該委員會由國防部副部長擔任主席，成員包括來自多個政府機構的代表，包括商務部、國土安全部、交通部和美國宇航局。執行委員會負責制定政策併為 GPS 專案提供指導。^[7]

美國太空部隊的印章

如前所述，GPS 系統的正常執行由美國太空部隊負責，它是美國軍方負責太空行動的一個部門。太空部隊運營著許多不同的衛星系統，包括 GPS 星座，該星座由 20 多顆繞地球執行的衛星組成。太空部隊負責維護和升級 GPS 系統，並確保其安全、穩定和耐用性。

除了政府之外，還有許多私營公司提供與 GPS 相關的服務。這些公司包括 GPS 裝置和軟體製造商，以及利用 GPS 資料提供導航中使用的定位服務的公司。例如，2018 年，蘋果公司與國防部合作測試了一種新的 GPS 訊號，該訊號將為 iPhone 提供更準確的定位資料。這些公司受聯邦通訊委員會 (FCC) 的監管。

參與 GPS 的最重要的機構之一是國際 GNSS 服務 (IGS)。IGS 是一個由 200 多個組織組成的國際網路，它們提供 GPS 和其他全球導航資料以支援科學研究。IGS 從多個不同來源收集資料，並使用這些資料建立準確的定位資訊，可用於地震監測、氣候研究和其他目的。

另一個與 GPS 相關的重大安排是聯邦無線電導航計劃 (FRP)。FRP 是一份檔案，概述了美國政府對無線電導航系統的政策和計劃，其中包括 GPS。FRP 會定期更新，以應對技術和政策的變化。FRP 也可以作為參與 GPS 的政府機構和私營公司的指南。

還有一些國際協議監督 GPS 的使用。這些協議包括美國與其他國家之間就 GPS 在軍事和民用目的上的使用達成協議。這些協議還包括美國與國際民用航空組織 (ICAO) 和國際海事組織 (IMO) 等國際組織之間的協議。

與 GPS 相關的制度安排很複雜，涉及許多不同的政府機構、私營公司和國際組織。這些安排旨在確保 GPS 儘可能有效，並促進 GPS 在研究和廣泛應用中的使用。

位置地圖和圖表

GPS 星座

這是對 GPS 星座的想象。

顯示 GPS 地面位置的地圖

政策和技術問題

公眾可用性和政策

最初，當 GPS 首次建立時，主要的兩個頻段被分成公共訪問和私有政府使用頻率，從而建立了“選擇性可用性”系統。隨著公眾越來越多地依賴 GPS 進行日常導航和定位，較低的民用頻段開始顯示其侷限性。隨著精度從最低 3.5 米到最高 15 米不等，美國政府認識到 GPS 在日常民用生活中的重要性。繼這一認識之後，GPS 於 1996 年被歸類為國家資產和重要基礎設施，從而使公眾能夠訪問上下 L 波段，將精度提高到 3.5 米，併為公眾提供不受大氣干擾降級訊號的訪問許可權。

隨著“選擇性可用性”系統在 2000 年的停止，商用接收器的成本大幅下降，從而使更廣泛的公眾能夠訪問 GPS 定位。結果，目前的 Block I 和 Block II GPS 衛星無法滿足使用者的需求，因此必須進行 Block III 現代化專案。

技術問題

GPS 系統依賴於接收器與至少 4 顆軌道上的衛星之間的“視線”。當“視線”由於惡劣天氣或接收器被大量內部銅線的建築物遮擋而衰減時。由於大量干擾，接收器接收到的資料的精度變得非常不準確，導致位置資料出現很大的誤差。

在 20 世紀 90 年代，這個問題不像今天那麼普遍，因為許多現代建築在整個建築中都有更加密集和廣泛的佈線。解決此位置資料不準確或在建築物中完全無法使用位置資料的問題的一些方法是，透過使用無線網路或蜂窩訊號可以收集的資訊來補充基於衛星的位置資料。這有助於繞過 GPS 的主要限制，即它需要在接收器的“視野”內。蘋果和谷歌等公司已經開始實施此係統，以便在靠近物體或建築物（否則會阻擋來自 GPS 衛星的訊號）時提供更高的精度。

潛在的漏洞和未來問題

GPS 由於多種原因而特別容易受到攻擊，並且具有可以以複雜和不復雜的方式被破壞的特定系統，這給其使用帶來了問題。GPS 系統的一個此類漏洞是美國電網依賴 GPS 定時在中繼器中使用以及在不斷變化的電力系統中維護相位定時。根據美國能源部的資料，這些系統的中斷有可能導致美國電網出現小規模停電或中斷。 此類中斷一直很小，但鑑於近地軌道和中地軌道的波長擁擠，其可能性可能會增加。

幾個國際會議在 L1、L2 和 L5 波段的電磁頻譜中劃出了空間，這使 GPS 自建立以來在很大程度上免受噪聲影響。自 20 世紀 90 年代末以來，越來越多的國家開始建立自己的衛星計劃以及競爭的 GPS 系統。GLONASS 和北斗是俄羅斯和中國衛星系統的例子，它們直接競爭地面商業終端使用者的使用。 這些努力以及商業和民用衛星計劃的增加，導致近地軌道和中地軌道的波長擁擠問題。Block III 和 OCX 系統目前正試圖解決其中一些問題。這是透過提供更多糾錯軟體以及新的地面站來實現的，這些地面站可以確保來自 GPS 衛星的訊號在軌道和地面無線電空間更加擁擠的情況下保持準確和可靠。

討論問題

你認為 GPS 應該繼續由美國政府獨家控制嗎？

鑑於 GPS 與現代導航和日常生活之間的互連性，是否有必要增加其可用頻寬和安全系統？