用了這么久的GPS系統(tǒng) 你真的知道它是怎么運(yùn)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(yùn)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(yùn)行中的衛(wèi)星發(fā)生故障這些備用衛(wèi)星隨時(shí)就可以啟動(dòng)?？紤]到這么多衛(wèi)星的特定軌道，觀測者在任何時(shí)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(gè)簡單的例子，假設(shè)衛(wèi)星的軌道位置可以在任何時(shí)候精確計(jì)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(shí)測量至少三顆衛(wèi)星與接收器之間的距離，通過用三個(gè)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(gè)方程，將三個(gè)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(gè)方程就可以解出這三個(gè)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(shí)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(shí)信號。由于光速速度非常快，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(jì)算的準(zhǔn)確性。衛(wèi)星自身實(shí)際上攜帶著原子鐘。相比之下，接收器配備著廉價(jià)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(shí)，我們必須要考慮到發(fā)生的時(shí)間誤差。由于所有衛(wèi)星到達(dá)接收機(jī)的信號都是同時(shí)測量的，所以距離測量都會受到接收器時(shí)鐘誤差造成的影響，為了確定準(zhǔn)確的位置，這個(gè)誤差必須計(jì)算。完全確定接收器的位置需要四個(gè)未知數(shù)：接收器時(shí)鐘誤差和接收機(jī)的三個(gè)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(gè)方程來解決這4個(gè)未知數(shù)。這就要求建立一個(gè)真正的全球定位系統(tǒng)，需要在任何時(shí)間從地球上的任何地方看到至少四顆衛(wèi)星。在實(shí)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(jì)接收器的時(shí)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(jì)算幾乎運(yùn)用在所有接收器中，包括廉價(jià)的手持設(shè)備。除了確定位置之外，時(shí)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(shí)鐘間的時(shí)間同步非常有價(jià)值，時(shí)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(shí)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(gè)全國性的公用設(shè)施。
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