原标题：SpaceX推迟发射！ 什么是第三代GPS？
【中关村在线原创】本来预定在这两天发射上天的第三代GPS卫星又发射推迟了，因为美国空军和SpaceX要对发射卫星的Falcon9Block5火箭进行检查，发射要推迟到十月份完成。但是且慢，这里有了新名词：第三代GPS卫星，这是什么？我们用的是第二代吗？他们有什么区别？
第三代GPS卫星发射由SpaceX完成（图：SpaceX.com）
GPS的由来
在以前，大海航行靠舵手，其实靠的是导航的手段。这里主要是利用恒星定位，白天有太阳，晚上用六分仪来确定恒星高度，如果看过施瓦辛格和史泰龙主演的电影《金蝉脱壳》，会有更深刻的印象。但是科技在发展，美军为了大致定位军舰的位置，DARPA在1960-1980年代搞了一个子午仪卫星定位系统（Transit，GNSS），卫星数量不多只有5、6颗，轨道每天绕地球13圈，并不是像我们今天这样实时的定位，并且只能定位位置不能定位高度。这套系统虽然精度差，但是却证明了通过卫星来定位位置的可行性。
子午仪的定位卫星（图：wikipedia）
技术进步：现在手机内置的GPS，几十年前要这些设备（图：wikipedia）
如果一套更成熟的系统岂不是更好？这种实在的需求对于美国海陆空三军来说都非常重要，于是海军和空军都提出了自己的定位卫星组网方案，其中海军的没有高度，空军的有。不过不同军种就要两个系统太昂贵，所以1973年美国国防部决定将两个定位系统合二为一，整个项目由卫星导航定位联合计划办公室（JPO）领导。
JPO最初设计的GPS由24颗卫星组成，每个卫星的轨道高度大约2万公里。24个卫星分布在6个轨道上每个轨道4颗，这样在地球上任何一点，都可以收到至少6-9颗卫星的信号，提供粗码精度100米，精码精度10米的定位能力。不过美军也预算紧张，削减了GPS的预算，变成了18颗卫星的方案，但是这个方案就不能保证可靠性，于是在1988年最后修改变成了21颗卫星，3颗备用的方案。
GPS系统的最终组网卫星方案（图片：gps.org)
1978-1979年，是方案的论证阶段，这时候发射上天4颗卫星，这些卫星是试验卫星，这时候研制了地面接收机和卫星跟踪的地面网络，结果令人满意。1979-1984年，发射上天了7颗卫星，这些被称之为Block1，结果测试发现，仅仅粗码的精度就达到了14米，远远超过了设计指标！结果令人振奋。
最早投入实用的BlockII/BlockIIAGPS卫星，已经全部退役(图：gps.com)
1989年，在最终方案确定下来之后，开始发射正经的工作卫星，这些卫星的型号称之为BlockII以及BlockIIA，卫星寿命只有7年，因此最后一刻这一代的卫星也在2016年退役了。
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.
BlockIIR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。
现在使用的BlockIIF卫星新的原子钟让定位更准
2010-2016发射了12颗BlockIIF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。
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。
GPS如何工作的（图：si.edu)
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。
GPS卫星上使用的铷原子钟（图：si.edu)
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，BLOCKII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BLOCKIIR型卫星误差降至仅为1m。新的BlockIIF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BlockIIR再提高一倍。
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.com)
早在1955年，就有科学家想象了把精准的原子钟放到卫星上去比较和地球上时间的差别来验证狭义相对论的理论：速度越快时间流逝的越慢。实际上GPS卫星速度很快，时速1.4万公里，根据狭义相对论，每天慢7微妙；但是根据广义相对论，地球的巨大质量扭曲了时空，所以地球表面的时间流逝也要比2万公里上的GPS卫星慢，根据广义相对论的计算就是GPS每天反而快45微秒，抵消之后就是每天快38微秒。
组装GPS卫星的时候要调整时钟（图:boeing.com)
要知道GPS卫星时钟精度是纳秒级别的，38毫秒就是38000纳秒，相当于每天积累10公里定位误差，所以GPS卫星上天之前要把时钟频率调慢100亿分之4.465，即10.23兆赫调为10.22999999543兆赫.
那么修改计划到今年10月上天的第三代GPS有哪些进步呢？这体现在多个方面.从日常GPS用户（区分GPS的根本目的军用定位）的角度来看，最重要的可能是第二个民用GPS信号，称为L2C。与当今大多数GPS接收使用的传统L1C/A信号相比，L2C信号更清晰并且更容易接收。
第三代GPS的宣传（ImageCredit：LockheedMartin）
这意味着L2C将更容易在城市高楼林立环境中，在茂密的森林，甚至在室内进行接收。L2C还有另外一个真正的具体优势：与旧式L1C/A一起操作L2C意味着只有通过比较这两个信号，配备L2C的GPS接收器才能够补偿特定GPS卫星的电离层延迟误差。电离层延迟是现有L1C/A信号中误差的最大原因，GPS单元现在通过使用其他信息源（如FAA的广域增强系统或附近Wi-Fi热点的位置。通过能够在不依赖其他来源的情况下补偿电离层延迟，来自L2C信号的位置数据应该更加准确。目前的民用GPS在大约3米以内是精确的，但使用L2C的GPS系统应该精确到大约1米以内，而这个精度并不依赖地面基站差分来提高精度。
三代GPS上的L5信号（图：psu.edu)
第三代GPS上还有有第三个新的民用信号，称之为L5，也被称为“生命安全”信号，主要用于航空和运输。它是L2C信号的两倍（因此它更容易接收），具有更大的带宽，可以在大范围内操作（具有增强功能），并具有增强的信号结构，因此可以携带更多的数据。虽然目标是运输，但L5信号具有日常应用：能够处理L1C/A，L2C和L5的接收器应能够利用称为三角的技术来利用所有三个信号，以使定位精度达到小于1米。
三代GPS上的信号单个卫星的就已经很丰富了，但是一个卫星肯定改善有限，到2025年，三代GPS计划一期才会布局完毕，发射上天一共10颗，现在已经造好了三颗。
第三代GPS是洛克希德-马丁制造的（ImageCredit：LockheedMarting)
到2026年，将迎来BlockIIIF型号的GPS卫星，目前还在开发阶段。前年美国空军给波音、洛克希德马丁和诺斯罗普格鲁门每个公司600万美元要求提供3代GPS下一代的研究竞标。
问题在于BlockIIIA的GPS已经拖延了（图：wikipedia.com）
2017年4月19日，美国空军太空司令部宣布启动第二阶段采购战略，GPSBlockIIIF的采购战略是将所有22个BlockIIIF卫星的制造合同授予同一承包商。在2017年11月，美国空军宣布开发全数字导航GPSBlockIIIF卫星的有效载荷已经完成。这个合同价值高达100亿美元。问题在于，BlockIIIA计划时间表由于导航有效载荷的问题而多次延迟，最快可能要今年10月才能上天，所以到2035年的再发射22个BlockIIIF卫星组网的计划未必能实现，而届时我们的北斗或许已经完成了计划中的组网。
未来太空将出现多种不同的导航卫星系统（图：freeyeti.com)
GPS、北斗、伽利略都是什么关系？其实现在无论GPS、北斗、Glonass还是伽利略，都是对我们民用免费，这称之为全球导航卫星系统GNSS。对于我们民用来说，无论手机还是其它支持多制式会带来更准确的定位精度，是好事情，我们作为用户在未来，只会感受到越来越准确的定位服务基础之上的再开发，而不用去管它们在我们手机里面是怎么协同工作的，事实上今天的智能系统给出的定位是多种系统共同作用后算出来的：这对于未来的自动驾驶等等非常重要，尤其是可能的厘米级的定位精度。