用了這么久的GPS系統(tǒng) 你真的知道它是怎么運行的嗎？
GPS衛(wèi)星測量的作者、緬因州大學(xué)空間信息科學(xué)系教授阿爾弗雷德·萊克為我們提供了GPS是如何工作的答案。
全球定位系統(tǒng)(GPS)由24顆運行中的衛(wèi)星和若干備用衛(wèi)星組成。一些備用衛(wèi)星也在使用中，一旦運行中的衛(wèi)星發(fā)生故障這些備用衛(wèi)星隨時就可以啟動。考慮到這么多衛(wèi)星的特定軌道，觀測者在任何時候都能在地球上的任何地方看到至少四顆衛(wèi)星。
使用GPS的方法是復(fù)雜的，但復(fù)雜的程度取決于所需的定位精度和速度。舉個簡單的例子，假設(shè)衛(wèi)星的軌道位置可以在任何時候精確計算到相對于地球的位置，進(jìn)一步假設(shè)，地面上的GPS接收器可以同時測量至少三顆衛(wèi)星與接收器之間的距離，通過用三個坐標(biāo)(如緯度、經(jīng)度和高度)來定義接收器的位置，就可以很容易地寫出三個方程，將三個距離觀測值與衛(wèi)星的已知坐標(biāo)和接收器的未知坐標(biāo)聯(lián)系起來，這三個方程就可以解出這三個未知數(shù)。
接收器與衛(wèi)星的距離是通過衛(wèi)星傳送的定時信號來測量的，這些衛(wèi)星以光速向地面的接收器傳送定時信號。由于光速速度非?？?，衛(wèi)星信號傳輸?shù)乃查g、以及接收器天線信號接收的瞬間都需要精確的記錄，以保證距離和位置計算的準(zhǔn)確性。衛(wèi)星自身實際上攜帶著原子鐘。相比之下，接收器配備著廉價的鐘，因此不夠精確，所以當(dāng)接收器記錄到達(dá)的衛(wèi)星信號時，我們必須要考慮到發(fā)生的時間誤差。由于所有衛(wèi)星到達(dá)接收機的信號都是同時測量的，所以距離測量都會受到接收器時鐘誤差造成的影響，為了確定準(zhǔn)確的位置，這個誤差必須計算。完全確定接收器的位置需要四個未知數(shù)：接收器時鐘誤差和接收機的三個坐標(biāo)。通過測量至少4顆衛(wèi)星的距離，我們可以建立4個方程來解決這4個未知數(shù)。這就要求建立一個真正的全球定位系統(tǒng)，需要在任何時間從地球上的任何地方看到至少四顆衛(wèi)星。在實踐中，接收器會觀察所有它可以觀察到的衛(wèi)星，以最佳確定估計接收器的時鐘和位置。上面描述的解決方案通常稱為導(dǎo)航解決方案，這種類型的計算幾乎運用在所有接收器中，包括廉價的手持設(shè)備。除了確定位置之外，時間的精確度還可以超過一微秒，因此，GPS接收器對于遠(yuǎn)程時鐘間的時間同步非常有價值，時間同步是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)、電話、電視廣播等多種方式通信的重要組成部分。
仔細(xì)觀察其基礎(chǔ)理論和技術(shù)，不難發(fā)現(xiàn)GPS定位并不簡單。對于那些使用GPS走南闖北的徒步旅行者和駕車者來說，他們可能對GPS沒什么興趣，但對科學(xué)家來說，GPS是一種用途廣泛的實用工具，應(yīng)用范圍從電離層和對流層研究到地殼變形。對于工程應(yīng)用來說，GPS應(yīng)用的范圍同樣很廣，GPS已經(jīng)真正成為一個全國性的公用設(shè)施。
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