美國能主動關閉特定國家的GPS衛星信號嗎？
2020-06-25 老粥科普2020年6月23日，北鬥衛星導航系統第55顆衛星搭乘長徵三號乙運載火箭從西昌衛星發射中心成功升空， 標誌著 得到充分體現。有朋友說「現在好了，我們再也不用擔心美國人切斷信號，不給我們使用GPS了！」
北鬥衛星
GNSS (全球衛星導航系統 Global Navigation Satellite Systems) 是怎麼提供授時和定位服務的？美國真的能夠切斷衛星信號，不允許某個國家或某個地區使用GPS定位嗎？我們今天就來分析分析。
GPS是燈塔
時常見到有人講「美國是燈塔」，不過近幾年來由於眾所周知的原因，堅持這種看法的人少了許多。但是，包括美國GPS（全球定位系統 Global Positioning System）和中國北鬥系統在內，大部分的衛星定位系統卻是實實在在的太空燈塔。
對於常年航行於海上的水手來說，燈塔是再熟悉不過的老朋友，它不發聲，只是日復一日周而復始地用燈光告訴來往的航船：「我在這兒，我在這兒，我在這兒......」。水手們依靠燈塔的閃光辨明方向，避開淺談暗礁，順利出航，平安返鄉。
燈塔為航船提供了定位導航功能
GNSS的衛星們繞著地球飛行，看起來要高大上許多，其實它們幹的活兒跟燈塔一樣，每時每刻都在不停地向地球發射信號：「我在這兒，我在這兒，我在這兒......」。漸漸地，水手們不再抬頭瞭望燈塔，而是低頭察看衛星接收器的屏幕。GNSS搶了燈塔的飯碗，因為它提供的信號要精確許多許多倍。
GPS是如何定位的？
GPS全稱為「全球定位系統」 Global Positioning System），它與中國的北鬥系統、俄羅斯的格洛納斯（GLONASS）和歐洲的伽利略系統（Galileo）都屬於GNSS的一個分支，功能也都類似：主要提供空間定位與授時服務。
GPS由24顆圍繞中圓地球軌道飛行的衛星以及地面控制站構成，衛星軌道距離地面高度約20200公裡，每天繞地球飛行兩周；這24顆衛星被平均分配在6個等距離的傾斜軌道上，每個軌道上4顆衛星，它們的間距也大致相等；2011年，美國又追加發射了一些衛星，一部分用於替換退役衛星，另一些用於擴展，以增加覆蓋範圍、提升定位精度。
GPS衛星群
每一顆衛星的軌道都經過極精確的計算，通過設在地面若干個基準點，我們可以知道任何一個時刻衛星相對於地球坐標系的準確坐標；丈量我們與三顆處於不同位置衛星的距離，就能通過三邊測量法計算出我們自己的坐標；事實上為了更準確地計算，衛星接收器會同時接收並計算四顆衛星的數據。
通過計算與衛星間的距離和三邊測量法可實現坐標定位
問題是沒有任何一根尺子能丈量2萬公裡這麼遠的距離，更何況衛星時刻都在變換位置，怎麼辦呢？科學家們想到了光。光的速度是299792458米/秒，光是電磁波，我們只需測量出一串代碼從衛星到達接收器的時間，便能計算出二者間的距離。
科學家在衛星上和地面站都安裝了頻率極高的銫原子鐘，銫原子在兩個超精細基態之間的振動頻率是9192631770Hz，每一個振動周期裡，光跑的距離大約是3.26釐米。這樣，當衛星與地面時鐘頻率保持同步，我們就能得到精確的傳輸距離了。
GPS信號是公開的
GPS是冷戰的產物，它首先是應美國軍方的要求而設計的，民用只是這個系統的一個衍生部分。美國軍方對GPS的精度要求很高，因此衛星發送P代碼的碼片速率達10.23Mchips/s，是民用版本C/A碼的十倍以上。P碼是公共的，它在信號上附加了一個W密碼序列生成一組保密的Y代碼，你只有得到了這組P(Y)碼才能實現米級的測量，最終通過幾顆衛星的合併計算得到釐米級的定位精度。
GPS因冷戰而生，為美軍導航
民用版本的信號其實也源自於同一個代碼，只不過GPS系統將其進行了模糊化的處理，人為降低了精度並且這個精度範圍是可控的。C/A碼發送頻率為1毫秒/次，這使每個碼片對應於293米的距離，經過接收器晶片對這些代碼跟蹤計算，可以將測量誤差控制在米級。
P(Y)碼供美國軍方使用，如果民間需要精度極高的測量，比如橋梁施工打樁定位，需要向美國軍方申請，等批准並付錢後才能使用，時間一到這組碼就作廢了。但C/A碼是公開的，誰都可以用，這不是福利，而是戰略，並且你的定位晶片在製造時就向美國付過了錢。
美國可以阻斷GPS信號嗎？
當然可以！但這意味著它自己也用不成了，所以美國不會阻斷它。
美國切斷某一個國家或某一個地區的GPS信號要付出什麼代價？這一點我們需要分析。
前節我們已經介紹了美國GPS衛星運行於距離地面約20200公裡的中圓地球軌道上，衛星天線發射信號範圍約28°，它覆蓋地球的圓心角大約為152°。在每一條地球中圓軌道上分配了4顆衛星，在大多數地區我們在任一時刻大約可以同時看到同一軌道上的兩顆衛星，這兩顆衛星所覆蓋的圓心角大約為242°。
為你定位的衛星實際上還覆蓋了大半個地球
由於美國GPS星座共有24顆衛星分配在6條不同軌道上，也就是說我們在同一地點多數時間可以同時接收到6顆以上衛星發出的信號，最多時能搜到10顆衛星。
地平線上方同時有6顆以上的GPS衛星
GPS軍用的P碼經過加密，未經授權無法解密信號；但民用的C/A碼是公開的，任何人只要有它的晶片和算法都可以使用，你要想關閉某一個地區的GPS只能選擇讓運行於這個地區地平線以上的大部分衛星不廣播信息，這意味著地球表面一半以上的地區都受到影響。換句話說，如果美國想關掉伊朗的GPS，整個歐洲、亞洲、非洲都無法定位了，這個代價有點大。
總結：
我們在文章的開頭將GNSS衛星比作燈塔，這是一個貼切的比喻。包括GPS在內的GNSS衛星都在它們各自的軌道上飛行，並時刻將自己的坐標信息向地面廣播；地面上所有的接收設備都可以收到衛星廣播信號。
GPS已經廣泛滲透入社會經濟的方方面面，影響巨大
接收設備通過計算它與四顆衛星的相對距離來確定自己的坐標位置，計算的精度與衛星信號的頻率有關，也與設備本身晶片的計算能力有關。軍用信號是加密的，民用頻率大家都可以用。
鑑於GPS衛星的廣播性質，美國要想限制某一個國家或地區的民用GPS信號，付出的代價就是其全球盟友的GPS都無法使用，出於擔心，大家會倒向GPS的競爭對手，因此美國不會這麼做。
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