底层，低地球轨道
高度为160km～2000km，特点是离地近，信号强，延迟低；但是覆盖范围极小，需要成千上万颗卫星组成“星座”才能覆盖全球
中层，中地球轨道
高度在2000km～35786km。由于高度上去了，并且兼顾了覆盖范围和信号强度。
第三层，顶层，地球静止同步轨道
高度是35,786km，特点是卫星绕地一圈正好 24 小时，从地面看它永远悬停在固定的点。
GPS的卫星运行中层，高度大约为20200公里。整个系统最初由24颗卫星组成，它们不是随机分布的，而是均匀的分布在6个轨道面上，这样的设计，只为一件事——确保地球上任何地方，任何时刻，都能看到至少4颗卫星。
通过上个视频的介绍，我们知道，4颗卫星，是实现定位的最低标准。2011年，为了扩大了GPS系统的覆盖范围，提高准确度，卫星数量增加到27颗，目前的在轨卫星是31颗。
卫星被发射到了2万多公里的外太空，并不是可以彻底的放飞自我，“将在外军令有所不受”的，它们更像是是风筝，被一根看不见的线牢牢的控制着，而线的另一头就是GPS系统的第二个部分——地面控制段。
控制段，由16个监控站，1个主控站，11个注入站组成。
监控站，就是控制段的眼睛，它们分布在全球，位置绝对固定。它们的任务就是时刻盯着天上的卫星，观察它们是不是偏离了轨道，时间是不是不准了。然后把收集到所有数据，发送给主控站。
主控站，它的角色就是控制段的大脑，它会把监控站传来的数据进行分析和计算，一旦发现有微小的轨道漂移，立刻计算出新的轨道方程，为这颗卫星生成一个最新的“行程表”，专业术语叫星历，星历，是一组用于精确描述卫星轨道和状态的参数，轨道的形状圆不圆、倾角的斜度、以及卫星在轨道上‘划’过的速度。除此之外，主控站还会把所有卫星的星历来一个“精简汇总版”，称为历书。
我们再来说注入站，它们是地面控制段的嘴巴，随时准备向两万公里的高空传达最新的指令。每天一到两次，通过巨大的天线，给每一个卫星投喂属于它的星历。在发射星历的同时，还会把历书给每颗卫星都发一份。
我们知道卫星的轨道，理论上是固定的，但是由于地球不是圆的，引力分布不均匀，再加上太阳光照在卫星上，会产生微弱的推力，以及时空扭曲，也就是我们提到的相对论效应，这一系列的扰动会让卫星慢慢偏离预设的轨道，所以，地面的监控站要时刻观察卫星，只要发现它跑偏了，主控站就要重新计算一组修正后的参数，也就是星历，发给卫星。
某一颗卫星，会收到属于自己的星历，这个好理解，但是为什么要收到包含所有卫星星历的历书呢？
这就要提到系统的第三部分，用户设备段。
用户设备段，比如我们的手机。
GPS卫星和手机之间的通讯是单向的，手机不需要给卫星发任何信号，因为卫星只是在广播，所以理论上全世界 80 亿人同时打开 GPS，系统也不会宕机。
卫星是持续向外广播信号的。每大约30秒，会完整发送一轮导航电文。这一轮信息里，它会先做一个“自我介绍”：“我是几号卫星”。接着告诉你：“现在的时间是几点几分几秒”。同时，还会把一组非常关键的参数一起发出来——这就是我们前面提到的星历。
整个过程发送完，大约需要30秒，然后进入下一轮循环。
我们的手机，拿到数据包后，在后台疯狂运行的逻辑是这样的：
第一步，把收到的星历参数代入修正后的开普勒轨道方程，这个方程就是描述天体运行规律的数学模型。计算出卫星发出信号那一刻，卫星的坐标位置；
第二步：结合“时间戳”，也就是卫星信号里的时间信息，算出自己离这颗星有多远。
第三步：至少拿到 4 颗卫星的坐标和距离，解出那个唯一的交点。也就是我们上个视频讲的定位过程。
所以，我们的手机才是真正的计算大师。
这里我们就有一个疑问了，既然我们用手机算出来的是卫星发信号时的坐标，那为什么卫星在给我们发时间的时候不顺便把坐标也发过来呢，而是发参数，让手机自己算呢？
这是因为，卫星在高速运动，它的三维坐标每时每刻都在变化，而且要求极高的精度，这意味着坐标必须被频繁更新，数据量会变得非常巨大。而GPS信号的速率，只有每秒50比特，这就好比要用一根吸管去给一个泳池放水，几乎是不现实的。
还有一个更隐蔽的问题是时间延迟。从卫星发出信号，到手机接收到，中间大约有67毫秒的时间。在这短短的时间里，卫星本身已经移动了数百米，地球也在自转。
如果卫星只是给你一个“已经算好的坐标”，那这个坐标在你收到的那一刻，其实已经“过时”了。而星历不一样。它提供的是一套“运动规则”。手机可以根据这套规则，回推到信号发出的那一刻，计算出卫星当时真正所在的位置。
所以，卫星并不是直接告诉你，“我在哪”，而是告诉你——“我，是怎么运动的，我在沿着怎样的一条轨道运动。”
现在，我们聊聊历书。
卫星发给手机的信号，其实就像一份每半分钟自动更新一次的报纸。这份报纸的前三版永远是“头条新闻”：告诉手机我是哪颗星、现在几点、我的精确轨迹参数是什么。因为这些是定位的命根子，必须半分钟重印一次。
而报纸的最后两版则是‘连载小说’，也就是那份包含所有卫星信息的历书。 历书太长，被分成了25页，卫星每次只发一页。你想看完整部小说？没关系，只要你听够 12.5 分钟，这 25 章连载你就能攒齐了。
这种‘头条不停、连载不断’的广播方式，就是 GPS 系统能在极窄的（只有50bit）带宽下，同时兼顾‘定位精度’和‘搜星速度’的秘密。
历书有什么用呢？它是整个 GPS 家族， 30 多颗卫星的位置图，上面标注了兄弟姐妹们大概都在哪个方位。手机存下这份“全家福”后，就可以预判：“哦，根据排班表，现在头顶上应该是 3 号、7 号和 15 号卫星。”于是手机会直接锁定这些卫星的频率。去“听”它们的广播，这样就大大缩短搜星时间，可以迅速定位。
历书的有效期一般是几周或者几个月，手机很聪明，它拿到历书就存在内存里，需要启动GPS的时候，可以拿来直接用，这样可以提高定位时间。但是我们也发现，即使手机是新买的，或者经过了长时间的关机，定位也几乎是秒开，这是因为手机作弊了，它没有通过卫星，听12分钟的历书，而是直接通过5G或Wi-fi网络，从地面的服务器上瞬间下载了那份最新的历书、以及星历数据。所以，我们在室内或地库信号弱时依然能够实现“秒定”，通过网络下载星历是关键。
但是不要误会，手机不是直接连监控站（那是军事和专业科研级别的设备），而是从手机厂商或芯片厂商的“云端辅助服务器”下载。
地面主控站在计算出历书和星历之后，在发给卫星的同时，也会通过互联网，把这些数据实时共享给手机芯片厂商（如高通）或系统开发商（如苹果、谷歌）的全球辅助服务器（A-GPS Server）。这可以说是一项黑科技。
接下来，是这集视频的最后一部分内容，也是我最想和您分享的内容：
我们在前面提到，GPS 的地面控制段由分布在全球 20 多个核心站点组成。
出于主权控制和绝对安全的考虑，这些站点要么设在美国本土和夏威夷、关岛等海外领地，要么就驻扎在阿森松岛、迭戈加西亚这种和美国拥有长期军事盟约的海外基地。
这种‘封闭式’的全球布局，确保了 GPS 的控制权永远握在美军自己手中。但也正因如此，在中国境内，确实没有任何一个属于 GPS 官方的监控站。既然中国境内没有 GPS 监控站，为什么我们的手机用 GPS 定位还是那么准呢？
第一个原因：监控站的作用是“给卫星对表和修轨迹”。只要卫星在绕地球一圈的过程中，能被分布在全球其他地方的 16 个监控站里的几个看到并修正过，它广播出来的信号就是准的，所以，我们拿到的数据也是可以准确定位的。
第二个原因：还记得我们第一集讲的“四个球面方程解四个未知数”吗？现在的智能手机芯片非常强大，它能把来自 GPS 的 3 颗星、北斗的 5 颗星、伽利略的 2 颗星混在一起算。只要总数超过 4 颗，算法就能联立方程。卫星越多，冗余数据就越多，通过加权平均和滤波算法，算出来的那个 (x,y,z)坐标就越稳，不会跳来跳去。尤其是在高楼林立的地方，如果你只用 GPS，可能只有 2 颗卫星没被挡住，无法实现定位。
但这时候，由于北斗的轨道设计不同，北斗有高轨道卫星 ，始终悬停在中国上方的高空，它可能正好有几颗星就在你的头顶“俯视”你，这样就可以进行及时的补位。所以， 真相是：手机芯片具有多模定位功能，不同国家定位系统的卫星凑在一起，相互协同、相互补位，“拼”出了一张完整的时空网。
所以，当我们今天打开手机，看到地图上那个精准的小蓝点时，
请记住，它不仅仅来自那 24 颗美国的 GPS 卫星。 它的背后，是中国的北斗、俄罗斯的格洛纳斯、欧洲的伽利略…… 是一百多颗人造星辰，在两万公里的高空共同为你织就的一张网。
虽然地上的国家有边界，但天空中的时空坐标已经实现了大同。
每一个蓝点的闪烁，都是人类最顶尖工程，在同时运转的结果。
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