1957年10月4日，苏联“卫星-1”号发射。美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的两名物理学家威廉·吉尔和乔治·韦芬巴赫决定监控苏联发射的第一颗人造地球卫星的无线电信号。在无线电信号机前，他俩都目不转睛地盯住不断跳动的数据和曲线。几个小时内，他俩监测到奇怪的事情：卫星临近时，无线电信号频率增高，越近越高；卫星离开时，信号频率持续降低，越远越低。为什么会这样呢？

科学，就是寻找规律。威廉·吉尔说：“我就纳了闷了。无线电信号怎么会高低波动呢？”乔治·韦芬巴赫也发现人造卫星传送的信号频率有规律地变化。他俩大喊道：“天哪！我们发现了一个巨大的秘密——多普勒频移。”这是典型的多普勒效应——多普勒频移。他们很快意识到：根据多普勒频移就可以计算出卫星运行轨道，这样就可对卫星的方位、高度、速度、运行等轨道参数进行一系列测量。

科学，就是分辨真伪是非。当时，人们很难相信太空也与地球上一样，适应多普勒效应。应用物理实验室的主任知道这是一项伟大发现，但仍不放心。他让两位博士使用美国海军电子供应办公室最新的计算机重新计算，结果仍然一样。主任说：“二位博士，你们将改变世界，可能青史留名了。”

不久，应用物理实验室向媒体公布了苏联第一颗人造卫星的运行轨道和详细数据。因为苏联不能够精确计算轨道，都傻眼了：美国的计算机太强大了。苏联人只知道评价美国计算机的强大，但还不知道美国已经掌握了卫星的多普勒频移的秘密。

科学，就是运用法则。应用物理实验室的副主任弗兰克·麦克卢尔已经意识到：利用多普勒效应可以计算卫星轨道、坐标和位置，也可以导航。由于人们知道自己在地球上的确切位置，通过测量多普勒失真，可以找出其中的卫星；通过几颗卫星的比较就可知道自己所在的坐标。

怎样利用卫星的多普勒频移呢？次年春天，副主任麦克卢尔将威廉·吉尔和乔治·韦芬巴赫博士约到办公室。他说，我想问一个逆向思维的问题：如果你知道卫星的坐标和位置，你能找到自己的坐标和位置吗？不久，应用物理实验室就研发了一种公交导航系统，经过实用感觉还不错。

两位博士继续监测苏联发射的“卫星-2”号及后来的卫星。1958年2月1日，美国发射了第一颗卫星——“探险者-1”号。博士们监测发现美国卫星的表现与原先苏联卫星和自己猜测的一样。这证明了一个科学道理：卫星信号确实存在多普勒频移。1958年3月，一个在太空轨道设置卫星导航台的设想开始萌发，而太空导航将改变世界。GPS（全球定位系统）的灵感来自苏联发射的第一颗人造卫星，这是谁也意料不到的。

军事和民用部门都希望有准确的导航，所以，通过卫星实现导航定位拥有广泛的需求。当时，研发全球导航系统需要50亿美元。五角大楼公开怀疑卫星导航系统，精度总是太可怜，实用价值可能不大。但在冷战时期的军备竞赛、导弹威慑、核威慑、太空争霸的背景下，美国国会认为美国非常需要导航卫星，没有理由以费用昂贵来质疑卫星导航的革命性功能。为了达到威慑、阻吓作用，美国有必要给全球定位系统提供经费。

知识卡

导航卫星

导航卫星是利用卫星播发的无线电信号，为地面、海洋、空中和太空进行导航定位的卫星。卫星导航以卫星为太空基准点，向用户终端播发时间、坐标和运动等信息的无线电信号，从而确定用户的时间、位置、方向、速度等，不受气象条件、航行距离的限制，导航精度极高。

核威慑，包括美国海军潜艇、美国空军战略轰炸机和洲际导弹发射。各种导弹发射的准确测定是核威慑的一项至关重要的技术。美国国防部将它称为“力量倍增器”。精确的导航将使美国潜艇在潜射弹道导弹之前得到一个准确的参数。美国空军三分之二的核威慑需要一个更准确和可靠的导航系统。

1959年，霍普金斯大学应用物理实验室为美国海军研发了世界上第一颗导航卫星——“运输导航-1A”。它利用改装和更新“北极星”潜艇的惯性导航系统技术，最终用于卫星。地面只要测量出卫星无线电信号的多普勒频移，就可由此计算出接收器在地球上的位置。

“运输导航-1A”卫星由“雷神”导弹从卡纳维拉尔角空军基地发射升空，但未能进入轨道。霍普金斯大学应用物理实验室和美国海军从“运输导航-1A”卫星的亚轨道飞行过程中，已经接收到卫星信号，用来验证导航卫星的概念。美国海军仍然兴高采烈，向美国国防部报告：在太空使用卫星进行导航的第一台发动机已经启动！

美国空军与美国海军展开研制导航卫星的竞赛。1960年，美国空军提出了无线电导航系统，称为移动洲际弹道导弹精确控制系统。1960年4月13日，美国海军成功发射“运输导航-1B”导航卫星。卫星质量119千克，运行在近地点373千米，远地点748千米，倾角51.28°的椭圆轨道。

首次测试成功后，美国海军开始组建第一个“运输导航”卫星系统，采用5颗卫星组成星座，并能提供约每小时一次导航修正，但精度十分有限，仅达到3.2千米。当时，这被认为是极限精度。1960年4月，美国空军开始发射“子午仪”导航卫星，采用多普勒频移效应方式。这颗破卫星不是很灵，但能大约定位了。(www.daowen.com)

1963年，全球定位系统的概念诞生了。同年，一个“621B”项目的出现，可以看见GPS的影子。它承诺能提高对空军轰炸机和洲际弹道导弹的定位导航精度。美国海军研究实验室继续改进“航行时间”卫星。1967年，美国海军首次推出装载原子钟的“航行时间”卫星。“航行时间”卫星证明：在太空放置准确的时钟，利用先进技术可以组建全球定位系统。

1973年9月美国劳工节那天，在五角大楼的一间会议室，大约12名军事人员讨论了一个导航卫星系统。正是在这次会议上，美国国防部通过了集成导航技术、建造全球定位系统的计划。当年晚些时候，该计划被命名为“国防”导航卫星。为了区别卫星与导航卫星的名称，一个更全面的名字被用来识别导航卫星。这个更完整的名字就是——全球定位系统，英文简写GPS。

美国全球定位系统示意图

全球定位系统是美国继“阿波罗”登月、航天飞机以后的第三个大型航天工程，由美国国防部建立。GPS是全球应用最多的卫星定位与导航系统。GPS系统的技术基础包括大地测量学、地球动力学、测绘学、制图学、地球科学、卫星大地测量学、空间学等。

美国第一代导航卫星

GPS的特点是高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。全球卫星定位系统定位误差不大于10米，时间误差不大于0.1秒，授时精度优于0.000 001秒，仅需几秒钟到十几秒钟就能够确定自己的位置和精确时间。GPS系统的用途十分广泛，甚至渗透到每一个人的行动和生活。

1964年，GPS导航卫星开始设计制造。1978年2月22日，第一颗试验导航卫星发射。第一代GPS导航卫星系统由24颗卫星组成。1994年，GPS组成星座，实现了24颗卫星运行。卫星的导航精度不断提高，现在，美国导航卫星能在太空测定一根铅笔芯的厚度和长度。

美国第二代导航卫星——“GPS-2R”

1983年9月1日，一架韩国大韩航空公司的007航班，共乘载269人，在经过苏联边境时偏离航线，进入库页岛和莫涅龙岛附近的禁飞领空。苏联认为该飞机是故意进入军事基地进行侦察，于是将该飞机击落，造成机毁人亡的悲剧。为了避免此类灾难再次发生，美国总统罗纳德·里根发出一项指令：GPS可供民间自由使用。美国认为：GPS一旦得到充分地发展，会成为人类的共同福祉。

美国第二代导航卫星——“GPS-2F”

美国保留限制GPS系统信号强度，或关闭公众的GPS精度的权利。最初，最优质精确的GPS信号保留用于军事用途。美军及其盟国在对外冲突时将能够使用它。亚洲的日本、韩国、台湾、沙特阿拉伯、科威特也可使用军事信号。GPS信号还能用于民用，提供给非美军事同盟用户，但精度有限。信号已经过故意减弱、“可用性选择”等技术处理。美军将计时脉冲畸变的过程，称为“可用性选择”。2000年5月1日，美国总统比尔·克林顿宣布，从午夜0时起，GPS的“可用性选择”关闭。民用全球定位系统的精度从300米提高到20米。

美国第三代导航卫星

导航卫星立体覆盖

美国导航卫星可对全球立体覆盖，虽说各国均可使用但美国留有一项撒手锏——“快门”控制。在发生战争时，美国将启动“快门”，不让敌人利用GPS，即通过控制卫星天线的指向、暂时关闭某一战区的信号、加入密码授权等方法，使敌方军队难以利用GPS系统。GPS甚至能发射虚假定位信息，欺骗误导敌方。

美国导航卫星共发展了三代。1978年，第一颗GPS卫星发射；1994年发射的第24颗，也是第一代最后一颗卫星。到2013年底，美国空军共发射了61颗导航卫星，2颗失败，共有31颗正在战斗值班。2014年，第三代GPS开始卫星发射，卫星导航将开启新时代。