俄勒冈地区的居民要小心了：该地区一般三百年发生一次地震，而上一次超大地震发生在 1700 年左右。南加州的断裂带平均一百五十年就发生一次超大地震，而这一断裂带已经沉寂了将近三百年，随时可能爆发。
GPS 技术有一种衍生应用：测量地质板块的相对运动。过去，人们用 VLBI 技术（Very Long Baseline Interferometry 甚长底线干涉量度法）来测量两个地点之间的相对距离。大致来说，就是两个用原子钟同步时间的地方，用射电望远镜同时接收一颗已知位置的射电类星体或黑洞发出的无线波（这本来是一种天文观测技术，两个望远镜比一个能观察到更多细节），然后区分收到信号的不同时间，就可以求出两地的距离。
而 GPS 信号，则是用 GPS 卫星取代了类星体和黑洞在测量板块移动中的作用。这方面的研究人员发现，其实根本不需要破解军方人员一直掩掩藏藏的军方 GPS 信号，只要用载波相位测量技术，就可以获得非常精准的定位了，甚至比军方信号更准。
什么叫载波相位测量技术（(phase measurements)呢？研究人员发现 GPS 信号的载波，其实波长比 L1 信道的编码要短得多。换句话说，载波相位测量导致的误差，比码相位测量导致的误差要小好几个数量级。当时据说美国空军如果锁定一个 GPS 信号几周，能够得出最大误差为三十厘米的定位，但载波相位测量的误差只有几毫米。打个通俗的比方，码相位测量就像一个巨人在迈步如果数错了一个步数，那误差就相当于一个巨人迈一步的距离。而载波相位测量就像一个蚂蚁在迈步，同样数错了一个步数，误差要小得多。负责载波技术的 MIT 人员说：“看起来空军一直在其最粗疏的尺度上使用 GPS。”
GPS 技术也可以为抗震救灾做出贡献，它可以监测活断层的运动形态，并推断其发展趋势。在大震来临时，还能为大家争取到宝贵的时间。 2011 年日本的 3·11 大地震以及随后的大海啸，导致超过一万五千人死亡，六千多人受伤，两千五百多人失踪。由于传统的地震仪在强震时存在测量缺陷，地震发生三十秒后日本气象厅给出的震级是里氏七点二级。两分钟后，震级被上调到八级。二十分钟后，震级被再次上调到九级。此时距离第一波大海啸只有几分钟时间了。
研究人员认为，日本有全世界最先进的地震和海啸预警系统，也有全世界最大的实时连续 GPS 操作系统，不幸的是在这次地震中却没有把这两者结合起来使用。GPS 不可能比地震仪更快，但它却可以更早地确定地震震级。比如这次日本大地震如果能早点确定地震等级，那么对大海啸的波及幅度和深度都会有更好的预测。
GPS 测到的 P 波（纵波）和 S 波（横波）可以第一时间发出预警。相关研究人员说，把传统地震仪和 GPS 技术结合起来后，“大地震发生一百五十七秒后，我们就可以确定震级为九级”。这就给大海啸受灾地区带来了大约二十多分钟的时间，在这样的灾难中，二十多分钟可以救很多人命了。GPS 的衍生应用，经常会让我们这些技术盲目瞪口呆。比如，GPS 信号要穿越地球大气层，会产生信号的衰减。电离层导致的信号干扰比较稳定，可以通过计算扣除。更靠近大地的对流层由水蒸气和干燥气体组成，它对 GPS 信号的干扰比较复杂，不过现代科学也能解决这个问题。
但反过来说，通过 GPS 信号受干扰的程度，我们也可以判定对流层中水汽的含量，然后进一步预测天气。这就是无线电掩星（Radio occulta）技术，通过一颗低轨卫星上的 GPS 接收仪接收 GPS 卫星信号，然后测算大气层的水汽分布，从而帮助天气预测。
再比如，GPS 还可以测量土壤湿度。GPS 接收仪会直接接收到卫星发送的 GPS 信号，也会接收到 GPS 信号弹到地球土壤上后反弹回来的信号，比较这两者之间的信号，根据算法就可以测定土壤的湿度等指标。利用 GPS 信号，还可以测量火山喷发造成的火山灰扩散----这是雷达看不到的。别忘了，2010 年的冰岛火山喷发曾造成全欧航空市场混乱，直接损失达到二十亿美元。
导弹的轨迹和重力加速度有关（发射地的重力加速度和目标所在地的重力加速度），而由于地球不是均匀球体，每个地方的重力加速度其实不完全一样，所以很多国家一度把当地的重力加速度精确值当保密数据。 World Geodetic System，又叫世界大地测量系统，按照维基的定义，就是一套地球的标准经纬坐标系、一个用于计算原始海拔数据的参考椭球体和一套用以定义海平面高度的引力数据。其最新版本是 WGS84, 也就是 1984 年定义和修订的版本。GPS 需要地球参考系，使用的就是 WGS84 这个系统。而这个版本是由谁控制呢？美国国家地理空间情报局（NGA, National Geospatial-intelligence Agency），它其实是隶属于美国国防部的战斗支持机构，前身就叫国防部制图局。它上一次进入公众视野，是 2011 年奥巴马宣布斩首本·拉登成功时，NGA 立了大功：他们精确定位了本·拉登隐身的住处，并帮助特种部队复建了一个本·拉登住处的样本以供训练。
NGA 很重要的任务，是设立一个计算一切所需要的基准----地心到底在哪里？到今天，这个问题的精度已经到了厘米级，也就是说我们知道的地心已经就在那里，误差不会超过一张邮票的大小。据说美国国家 GPS 科学院希望精度能提高到一毫米的级别。
本文的大部分内容，来自一本尚未翻译引进的书 Pinpoint：How GPS Is Changing Tecknology ， Culture, and Our Minds。这本书的前半部分，基本是有关 GPS 技术演进的历史。看了众多细节后我们会感慨，这个如今已经深刻影响人类生活、已经不可须臾离开（至少你随身带的手机里就有 GPS 接收仪）的技术，其实真正诞生和开始使用的时间并不十分长久。人类对了解“自己在哪里”的永恒追求，让我们一路发明那么多的技术，并最终走到了 GPS 的今天。
书的后半部分，则谈了很多 GPS 衍生应用及其产生的哲学问题。比如 GPS 带来的人类过于依赖 GPS 导致直接开到江河湖海里的故事，比如电子追踪器系统的法律和伦理争议。还有很多衍生应用，真的匪夷所思又令人拍案叫绝。
书的最后一部分，作者谈到了人们探索太空时 GPS 的帮助。由于太空中没有 GPS 系统，所以唯一可以依靠的就是地球的 GPS 系统，地球成为出发的参照点。在书中，有一个非常精彩的比喻：“我们对飞船的导航，就像是看着后视镜飞向太空。” 太空导航其实非常非常困难，美国飞往火星的探测器只有一半完成了最终的旅程。NASA 有很长时间用一种叫深空网络（Deep Space Network）的系统，这个系统属于帕萨迪纳空气动力推进实验室的一部分，在西班牙、美国和澳大利亚分别布置了巨大的碟形天线，通过它们测量多普勒频移的方式来帮助定位和导航。
1977 年，NASA 发射旅行者系列无人探测器开始探测火星外的太空时，多普勒频移的测量方法就不够精准了，需要更精确的导航系统。一种方法是双向测距：就是向太空飞船发射一个信号，然后计算信号弹回地球的时间，借此估算飞船飞离地心的距离。但旅行者还需要更高的精度，于是 NASA 又用了第三个方法：双差分单向测距（Deta- Differential OneWay Ranging），其方法是在两个不同的地点接收飞船发出的信号，并根据收到信号的时间差距来定位。这其实是 VLBI 技术的改进版。
2011 年 11 月，NASA 发射了火星“好奇者号”探测器，次年 8 月 6 日成功降落火星表面。其降落地点，距离设定目标仅仅相差了二点四公里（飞行距离五点六亿公里），研究人员说：“三十年前，这一点是无法做到的，因为我们那时候没有那么精确的导航系统，没有那么多纠正误差的算法。过去的误差是米级的，而现在是厘米和毫米级的。”
在本书的最后，作者忍不住畅想道：“有朝一日，我们或许不用再看着后视镜飞离地球。有朝一日，我们或许会建立起银河定位系统（Galactic Positioning System，也是 GPS 系统），让我们能够带着自信看着面前的挡风玻璃前行。”有朝一日，我们的征途是星辰大海。
（本文选自微信公号“克韩冷知识笔记”）