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）

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．

5 第三代GPS的改进

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L1 C ／ 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（Image Credit：Lockheed Martin）

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L1 C ／ 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L1 C ／ 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）

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L1 C ／ 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。

6 GPS的未来

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（Image Credit：Lockheed Marting）

到2026年，将迎来BlockIII F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）

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，GPS Block IIIF的采购战略是将所有22个Block IIIF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GPS Block IIIF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，Block IIIA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Block III F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）

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。（中关村在线）