大多数曾经活着的人，日复一日，年复一年，大致都知道自己在哪里。当然，不是抽象的，而是通过经验和熟悉度——通过邻里，而不是地图。亿万年来，我们对自身有一些认识，可以表达为“我正站在我出生村庄的打谷场上”，或者“我正走过巴黎圣母院投下的上午的影子”。甚至“我身处一个从未见过的城区”。无论我们是否说出口，这种“身处何处”的意识是作为人类意义的一部分。但几个世纪以来，一群专注的制图师、航海家、天文学家、发明家和数学家试图将这种与生俱来的地方感转化为任何人都能理解的更精确的位置确定，而不仅仅是当地人。从一个层面上看，这就像你知道你正来到你总是左转去杂货店的街角，以及知道那个路口交叉的街道名称之间的区别。然而，在另一个层面上，对纯粹位置的追求即将把我们带入一个我们从未见过的世界。变革的推动者将是GPS——全球定位系统，它像现代世界的许多工具一样，既熟悉又被误解。
直到最近，还没有任何一个人造物体知道它自己在哪里。即使像六分仪这样古老的导航工具，对它的位置的了解也不比蒙娜丽莎或她画像的颜料多。所以想象一个世界，人造物体知道它们在哪里，并且能够将这些信息传达给其他能自我定位、能通信的物体。这听起来就像《哈利·波特》儿童小说中的《活点地图》一样奇怪和令人惊讶。《活点地图》显示了霍格沃茨魔法学校里每一个活物的位置和移动。一个世界版的《活点地图》会更奇怪。它也会显示人造物体的位置和移动——如果需要，还可以显示其移动历史。这将是一个不断变化的地图，一个充满着忙碌地相互报告自身重要信息的物品，以及向任何愿意倾听的人报告自身重要信息的物品的世界。
那个世界即将到来。八月，一家位于加利福尼亚州圣克拉拉名为 SiRF Technology 的公司宣布，他们已经开发出一种不大于邮票的高级 GPS 芯片。SiRF 创始人之一 Kanwar Chadha 宣称：“我们的愿景是让几乎所有移动的物体都具备位置感知能力。”这是 GPS 技术历史上一个微妙而深远的变化——像现在所有事物一样，这个变化是由日益小型化和复杂电路价格下降所驱动的。在过去几年中，消费者已经习惯了手持 GPS 接收器的身影，这些设备被作为个人定位设备出售给钓鱼者、猎人、徒步旅行者和骑自行车的人——换句话说，是用于确定个人身体位置的工具。但是 SiRF 和其他类似公司所设想的是赋予物体一种可传达的地方感。很快有一天，绝大多数 GPS 设备将不再是那些偏离常规路线的人使用的独立接收器，而是日常物品不可或缺的组成部分。
其中一些物体，尤其是大型物体，很容易想象，因为它们现在就已经存在了。各种船只都已集成 GPS 技术，一些丰田、本田、雷克萨斯和凯迪拉克生产的汽车也如此。最新的农用工具也一样，例如联合收割机，它能让农民精确绘制作物产量图。但一些尚未广泛普及的 GPS 用途很快就会在小型设备中普及。例如，从明年十月开始，联邦通信委员会将要求蜂窝电话服务提供商能够识别拨打 911 的手机呼叫者的位置。这意味着大多数手机很可能会包含一个微小的 GPS 芯片。寻呼机、手表和手持数字助理也会有，谁知道呢，Game Boy Color 和 Tamagotchi 也会有，狗项圈也可能会有，甚至手枪也可能。
GPS 工作原理
PS 采用三角测量几何原理：通过测量到其他已知点的距离来计算位置。测量从 GPS 接收器到一个卫星的距离，将接收器的位置放置在一个以卫星为中心，半径等于该距离的假想球体表面上。测量到第二个卫星的距离，将位置缩小到两个球体相交的圆上。考虑到到第三个卫星的距离，将可能性减少到两个点，其中一个点可能离地球太远，不适合作为接收器的逻辑位置。
来自第四颗卫星的测量有助于补偿潜在误差。GPS 接收器通过测量无线电信号到达所需的时间来确定与卫星的距离。但是，卫星配备的时钟比 GPS 接收器中的时钟精确得多。第四颗卫星提供了三个额外的冗余三角测量，这些测量结果经过平均，以调整接收器时钟与世界时之间的任何偏差。
像 GPS 这样的技术传播很容易预测，但要预见这种传播会产生什么影响则困难得多。未来总是呈现出无人能完全预料的形状。技术出人意料地契合，奇异的协同效应突然盛行，很快，非凡的事情似乎变得司空见惯。但我们能预见我们所用工具未来的程度总有限制，尤其是在那些工具相互关联的未来。曾几何时——远至比尔·盖茨的第一本书出版之时——人们认为计算机的价值，无论其大小，主要在于其独立运行的能力，而不在于它们连接起来可能形成的网络。现在我们有了互联网和万维网，其深远影响仍然模糊不清，但它们已经改变了世界各国开展业务的方式。
GPS技术的发展可能遵循类似的模式。GPS在离散应用中的有用性已经显而易见，例如用于测量和制图，用于跟踪商用车辆，用于海事和航空导航，用于紧急救援人员和考古学家。但是，当一个充满位置感知物体的星球上，找到一种方法来协调它们发送的所有数据时，这究竟意味着什么，简直是无法预测的。当应用于无生命物体时，感知可能是一个比喻，但这个比喻的潜力是完全真实的，而且到目前为止，几乎完全超出了我们的认知范围。
与此同时，对我们大多数人来说，还有一个更基本的问题需要回答：GPS技术从何而来，它是如何工作的？
GPS 依赖于一组 27 颗卫星——24 颗正常使用，另加备用星——它们在地球上方约 12,000 英里处飞行。它们是由国防部部署的，国防部于 1973 年启动了 NAVSTAR 地理定位系统计划。GPS 的一个版本最早于 1964 年进行测试，当时海军部署了一个五颗卫星的原型，称为 Transit，用于潜艇。Transit 卫星可能需要一个半小时才能在海平面上方缓慢移动，然后还需要 10 到 15 分钟才能确定潜艇的位置。当前一代卫星由罗克韦尔国际公司和洛克希德·马丁公司建造，每颗卫星大约 12 小时绕地球一周，以大约 55 度的角度穿过赤道平面。美国空军从夏威夷、科罗拉多斯普林斯以及南大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈加西亚和太平洋的夸贾林岛等多个岛屿跟踪这些卫星。这些地面站向卫星提供导航信息，下一代卫星将能够相互提供这些信息。普通用户可以通过几个网站或一个吸引人的公共领域软件程序 Home Planet 跟踪这组卫星，Home Planet 可以根据地球表面投影绘制您选择的任何卫星，无论是 GPS 还是其他卫星。或者您可以使用 GPS 接收器跟踪卫星。
在 GPS 的世界里，了解你身在何处（误差几米）取决于精确地了解你身处何时。就像直到 1764 年约翰·哈里森的计时器在前往巴巴多斯的航程中经过测试后才能有效计算经度一样，地理定位系统也直到能够将高度精确的时钟安装在稳定的轨道上才能创建。哈里森时代寻找经度的问题在于制造一个计时器，它能够在某个位置（英国格林威治）保持准确的时间，即使搭载该计时器的船只已经航行到地球的另一端。计时器为随着船只向东或向西移动而变化的星象事件提供了一个恒定的参照系。
GPS 卫星毫不费力地提供了一个恒定的参照系。每颗卫星都携带四个超精确时钟，它们与 GPS 时间同步——GPS 时间本质上就是没有闰秒的协调世界时 (UTC)。美国海军天文台保持的卫星时钟精确到 UTC 百万分之一秒以内——一个非常微小的差异。GPS 接收器将卫星传输的时间转换为当地时间。事实上，就大多数民用用户而言，GPS 在时间上的精度高于位置上的精度。（而且，在大多数情况下，GPS 在位置上的精度远高于高度上的精度。）1764 年，格林威治时间仅在格林威治可用——如果你知道那条经线在哪里的话——并且需要一个维护得当的计时器，当时只有两个这样的计时器。现在，任何拥有接收器的人都可以全球范围内获取 GPS 时间。
当你打开 GPS 接收器时，它会调谐到来自任何 GPS 卫星（通常是四到八颗中的一颗）的 L1 无线电信号，这些卫星在视线范围内运行。美国军方和其他授权用户也接收两个加密信号，一个来自 L1，另一个来自 L2 频率。这些额外的信号是军事用户比民用用户更能精确确定位置的原因之一。通过测量信号到达所需的时间，GPS 接收器计算出所谓的到发射卫星的伪距。在至少四颗卫星可见的情况下，因此有四个伪距——这是确定精确位置和时间的最小值——GPS 接收器可以使用基本三角学计算其位置。它还可以通过比较在不同时间点获取的位置读数来计算速度。
不可或缺的科学工具
科学家们用 GPS 创造了一个奇妙世界。这项技术对于那些主要需要静态位置记录的研究人员来说是无价的，比如考古学家绘制挖掘地点或植物学家记录濒危植物的位置。它也彻底改变了地球固定特征的测绘，例如南极蓝冰中矿床阵列——古老火山爆发的遗迹。然而，GPS 真正发挥作用是在用于测量运动和速度时。例如，日本人正在测试配备灵敏 GPS 接收器的浮标，这些浮标记录由波浪引起的垂直位移，并可能有助于提供海啸预警。
GPS 被用于创建地球几乎所有动态表面的详细而全面的画像，包括构造板块交汇区、地震断层沿线的滑动以及冰川的移动。通过 GPS，科学家能够以前所未有的规模收集精确的地球物理数据。具有讽刺意味的是，也许 GPS 最具创新性的科学用途是解码潜入 GPS 信号的两种自然误差。
一种是由电离层扰动引起的，另一种称为多路径干扰，是由GPS信号的不良反射引起的。电离层成分中波纹状的变化导致一种称为湿延迟的信号失真。科学家们利用这种失真来收集有关电离层电子含量的信息。他们还将其用作分析大气压、温度和湿度的手段。研究多路径干扰的研究人员发现，它提供了有关海浪高度和地表风速的有用细节。
GPS 的真正价值在于，当你考虑一个 GPS 接收器能够比较它现在的位置和几分钟、几小时或几天前的位置时，它的价值就开始显现。当你开始移动时，GPS 就活过来了。它会报告你的方向、平均速度、近似海拔、到达指定目的地的预计时间、你遵守计划路线的程度以及到目的地的距离——简而言之，它会校准你的动态或你连接到它的任何物体的动态维度，从送货卡车到地壳的露头。导航员的任务一直是绘制他当前的位置，将其与他前一天的位置进行比较，并从这两个点推断出明天位置的一些想法。这些功能是 GPS 等动态跟踪系统固有的，并且几乎可以立即访问。难怪 GPS 已迅速进入休闲船只和商船的导航站，取代了旧的电子导航系统以及天文导航。
但对于民用 GPS 用户来说，有一个陷阱。该系统是故意妥协的，其精度被故意降低。负责任的联邦机构会提醒我们，GPS 的设计宗旨是“作为一个双重用途系统，其主要目的是提高美国和盟军的作战效率。”做到这一点的一种方法是降低其他所有人的效率——拒绝非军事用户和外国对手享有军事用户所享有的那种精度，这在各种武器瞄准中造成数十英尺的差异。这是通过有选择地、间歇性地将错误引入 GPS 卫星分发给那些无法访问军事加密信号的接收器的信息中来实现的——换句话说，就是你我都能买到的接收器。然而，GPS 的众多讽刺之一是，一个主要用于军事用途，并由国防部开发，耗资超过 100 亿美元的系统，却被商业市场所吞噬。结果是，被称为“选择性可用性”（Selective Availability）的 GPS 故意误差很可能会在未来十年内逐步取消。然而，目前，总统只承诺“每年决定是否继续使用 GPS 选择性可用性。”
手持 GPS 的奇迹
即使是最便宜的 GPS 接收器也配备了一系列非凡的功能。信息通常以页面系列的形式逐屏组织。第一页显示了头顶天空的图示，带有指示地平线上方 GPS 卫星的标记，以及显示来自每颗卫星信号强度的指示器。
一旦接收器锁定卫星信号，就会出现一个页面，显示您的经纬度（度、分、秒）。您可以指定 UTM/UPS 坐标而不是经纬度，或者您可以将陆地英里转换为海里或其公制等价物。您甚至可以指定磁航向是参照真北还是磁北。
导航页面补充了位置页面。两者都显示近似高度、准确时间、地面速度、您的航迹方向、预计到达目的地的时间、预计抵达时间以及已行驶距离。您可以标记您到达的任何位置——一个航点——或者您可以提前从地图输入航点坐标。您可以调出最近航点列表、所有航点列表以及预编程或记录的路线列表，以及该地点的日出日落时间。地图页面提供您的航迹和附近航点的图形表示。如果您漫无目的地带着 GPS 走进荒野，它可以创建一个您可以跟随回去的地图。
GPS 接收到的定位信号越多，精度就越高。这就是为什么去年一月戈尔副总统宣布了一项 4 亿美元的计划，旨在为未来十年内发射的 GPS 卫星提供额外的民用信号——这明确承认了非军事 GPS 的科学、商业和经济重要性。但即使在目前，仍有办法绕过选择性可用性。一些 GPS 接收器已经生产出来，它们也可以调谐到俄罗斯的 GPS 对应系统 GLONASS，该系统在没有信号妥协的情况下运行，但缺乏 GPS 的可靠性。最常见的解决方案是差分 GPS (DGPS)，其中“差分校正”——指示一个站点的误差程度——通过无线电链路传输到 GPS 接收器，无论选择性可用性如何，都能大大提高其精度。即使 DGPS 芯片也已缩小到邮票大小。
美国海岸警卫队为平民提供海上差分全球定位系统（DGPS）服务，联邦航空管理局正在实施一个类似的系统，称为广域增强系统（WAAS），该系统使用卫星和地面站。一旦在选定机场部署了名为局部区域增强系统（LAAS）的补充系统，联邦航空管理局最终将能够将从起飞到精确着陆的飞行导航任务完全交给全球定位系统（GPS）。这导致了一个奇怪的讽刺：一些联邦政府部门正努力抵消另一个联邦机构——国防部——故意制造的错误。
GPS，尤其是差分 GPS，对于一群科学家——地球物理学家——来说，简直是天赐之物，他们是研究地球物理和动态参数的专业人士。我们大多数人认为地球是一个固有的稳定平台：基岩。但对于地球物理学家来说，地球会经历各种波动——有些非常缓慢，有些则以几天或几周的速度发生。构造板块在彼此边缘摩擦，向上隆起，向下俯冲。地壳仍在从早已消失的冰盖的重量中反弹。它局部地适应地震和火山的冲击。正如一位地球物理学家所写，“来自太阳、月亮和行星的力矩使 [地球] 的自转轴在空间中移动；来自大气、海洋和流体地核的力矩使自转轴相对于地球地壳移动。这两种力矩来源都改变了地球的自转速率。”GPS 为地球物理学家提供了数据收集速率的巨大飞跃，同时对地球运动的理解也随之飞跃。
随着技术变得越来越复杂，自由的定义似乎变得越来越基本。GPS 提供了一种自由——知道你在哪里。但它最终可能会威胁到一种更基本的自由——在没有任何人知道的情况下，你身在何处。每个人都希望拥有一张《活点地图》，但没有人希望未经批准就出现在《活点地图》上。嵌入 GPS 芯片的手机在紧急服务方面具有显而易见的价值。但手机服务提供商能够追踪 911 呼叫位置的事实意味着 GPS 也可以追踪所有其他类型的呼叫位置。GPS 已经被用于监控各种商用卡车的移动。这对车主来说是一种洞察，对司机来说则是一种侵扰，他们发现自己的行踪以前所未有的方式暴露在管理层的视野中。GPS 也被用于实验性项目，以监控假释犯的移动。用 GPS 追踪假释犯和用同样的工具追踪销售代表之间，只有侧重点的区别。GPS 整合和生成了大量信息，正如我们在过去几十年里深刻认识到的那样，即使是最无害的信息，也可以以使其强大并潜在危险的方式进行组合。位置、移动和时间都不是无害的信息形式。
随着技术的进步，我们离我们所居住的地球越来越远。我们生活在一个感官世界中，一个充满无数感官线索来提示我们位置和方向的世界。方向性是我们的存在所固有的。影响地球自转的因素——太阳、月亮、行星、大气、海洋——都会影响我们的方向感，只要我们能记住如何去了解它们。在乔纳森·拉班的新书《通往朱诺的航程》中，他谈到了 GPS 之前、六分仪之前、甚至指南针之前的时代。“没有仪器航行时，原始的航海者以农民了解他的田地那样不自觉的方式了解他的当地海域。星星提供了已知海洋中宏伟的航线图，但通常很少需要这些，因为水本身就像世代耕作的土地一样清晰可辨。颜色、风、鸟的飞行以及涌浪的预示性变化赋予了大海方向、形状和特征。”毕竟，通过按下单个按钮并读取充斥我们生活的又一个小灰屏上的数字来导航要容易得多。GPS 可能意味着许多奇妙的事情，但也可能意味着人类观察力的又一次死亡。
此外，GPS 可能是一个完美的例子，它代表了一种技术在变得不必要的那一刻进入市场——至少就普通消费者而言。现在，非水域、非北极的地球大部分地区都已铺设，人口稠密得像月面包上的霉菌一样，终于发明了一种设备，可以告诉你身在何处，而无需询问陌生人。
