GPS 接收器使用衛(wèi)星來精確定位位置。 斯托克跋涉圖片社 / 蓋蒂圖片社

　　我們的祖先不得不采取非常極端的措施以防止迷路。他們豎立了巨大的地標(biāo)，費(fèi)力地繪制了詳細(xì)的地圖，并學(xué)會(huì)了閱讀夜空中的星星。

　　今天的事情要容易得多。只需不到100美元，您就可以獲得一個(gè)袖珍小工具，它可以隨時(shí)告訴您在地球上的確切位置。只要您有一個(gè)GPS接收器和清晰的天空視野，您就不會(huì)再迷路了。

　　在本文中，我們將了解這些方便的指南如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)驚人的技巧。正如我們將看到的，全球定位系統(tǒng)龐大，昂貴，涉及許多技術(shù)獨(dú)創(chuàng)性，但工作中的基本概念非常簡單直觀。

　　當(dāng)人們談?wù)摗癎PS”時(shí)，他們通常是指 全球定位系統(tǒng)接收器.這 全球定位系統(tǒng) (全球定位系統(tǒng)) 實(shí)際上是一個(gè) 星座 27顆地球軌道衛(wèi)星(24顆正在運(yùn)行，3顆在發(fā)生故障時(shí)額外)。美國軍方開發(fā)并實(shí)施了這個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)作為軍事導(dǎo)航系統(tǒng)，但很快就向其他人開放了。

　　這些3，000至4，000磅重的太陽能衛(wèi)星中的每一顆都以大約12，000英里(19，300公里)的速度環(huán)繞地球，每天進(jìn)行兩次完整的旋轉(zhuǎn)。軌道的排列使得在地球上的任何時(shí)間，任何地方，天空中至少有四顆衛(wèi)星“可見”。

　　GPS接收器的工作是定位四顆或更多顆這樣的衛(wèi)星，計(jì)算出與每顆衛(wèi)星的距離，并使用這些信息來推斷自己的位置。此操作基于一個(gè)簡單的數(shù)學(xué)原理，稱為 三邊測量.三維空間中的三邊測量可能有點(diǎn)棘手，因此我們將從簡單的二維三邊測量的解釋開始。

　　二維三邊測量

　　想象一下，你在美國的某個(gè)地方，你完全迷路了——不管出于什么原因，你完全不知道你在哪里。你找到一個(gè)友好的當(dāng)?shù)厝?，問：“我在哪?”他說，“你離愛達(dá)荷州的博伊西625英里。

　　這是一個(gè)很好的、鐵的事實(shí)，但它本身并不是特別有用。您可以在博伊西周圍半徑為 625 英里的圓圈上的任何地方，如下所示：

　　你問別人你在哪里，她說，“你離明尼蘇達(dá)州的明尼阿波利斯有690英里。 現(xiàn)在你正在到達(dá)某個(gè)地方。如果將此信息與博伊西信息相結(jié)合，則有兩個(gè)相交的圓圈。您現(xiàn)在知道，如果您距離博伊西 625 英里，距離明尼阿波利斯 690 英里，您必須在這兩個(gè)交叉點(diǎn)之一。

　　如果第三個(gè)人告訴你，你離亞利桑那州圖森有615英里，你可以排除其中一種可能性，因?yàn)榈谌齻€(gè)圓圈只會(huì)與其中一個(gè)點(diǎn)相交。你現(xiàn)在確切地知道你在哪里 - 科羅拉多州的丹佛。

　　同樣的概念也適用于三維空間，但你正在處理 領(lǐng)域 而不是圓圈。在下一節(jié)中，我們將介紹這種類型的三邊測量。

　　三維三邊測量

　　從根本上說，三維三邊測量與二維三邊測量沒有太大區(qū)別，但可視化起來有點(diǎn)棘手。想象一下前面示例中的半徑向各個(gè)方向移動(dòng)。所以你得到的不是一系列的圓，而是一系列的球體。

　　如果你知道你距離天空中的衛(wèi)星A有10英里，那么你可能在一個(gè)巨大的假想球體表面上的任何地方，半徑為10英里。如果您也知道距離衛(wèi)星 B 15 英里，則可以將第一個(gè)球體與另一個(gè)更大的球體重疊。球體在一個(gè)完美的圓中相交。如果你知道到第三顆衛(wèi)星的距離，你會(huì)得到第三個(gè)球體，它在兩點(diǎn)上與這個(gè)圓相交。

　　地球本身可以充當(dāng)?shù)谒膫€(gè)球體——兩個(gè)可能的點(diǎn)中只有一個(gè)實(shí)際上在行星表面，所以你可以消除太空中的那個(gè)。然而，接收器通常著眼于四顆或更多衛(wèi)星，以提高準(zhǔn)確性并提供精確的高度信息。

　　為了進(jìn)行這個(gè)簡單的計(jì)算，GPS接收器必須知道兩件事：

　　您上方至少三顆衛(wèi)星的位置

　　您與每顆衛(wèi)星之間的距離

　　GPS接收器通過分析高頻、低功耗來計(jì)算這兩件事。 無線電信號(hào) 來自全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星。更好的單元有多個(gè)接收器，因此它們可以同時(shí)接收來自多個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)。

　　無線電波 是電磁能，這意味著它們以光速傳播(約每秒186，000英里，真空中每秒300，000公里)。接收器可以通過計(jì)時(shí)信號(hào)到達(dá)的時(shí)間來確定信號(hào)傳播了多遠(yuǎn)。在下一節(jié)中，我們將看到接收器和衛(wèi)星如何協(xié)同工作以進(jìn)行此測量。

　　全球定位系統(tǒng)計(jì)算

　　全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星

　　照片由 美國陸軍在上一頁中，我們看到 GPS 接收器通過計(jì)時(shí)信號(hào)從衛(wèi)星到接收器的旅程來計(jì)算到 GPS 衛(wèi)星的距離。事實(shí)證明，這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程。

　　在特定時(shí)間(比如午夜)，衛(wèi)星開始傳輸一種稱為 偽隨機(jī)碼.接收器也在午夜開始運(yùn)行相同的數(shù)字模式。當(dāng)衛(wèi)星的信號(hào)到達(dá)接收器時(shí)，其模式的傳輸將比接收器播放的模式滯后一點(diǎn)。

　　延遲的長度等于信號(hào)的傳播時(shí)間。接收器將此時(shí)間乘以光速以確定信號(hào)傳播的距離。假設(shè)信號(hào)沿直線傳播，這是從接收器到衛(wèi)星的距離。

　　為了進(jìn)行這種測量，接收器和衛(wèi)星都需要可以同步到納秒的時(shí)鐘。要僅使用同步時(shí)鐘制作衛(wèi)星定位系統(tǒng)，您需要具有 原子鐘 不僅在所有衛(wèi)星上，而且在接收器本身上。但是原子鐘的價(jià)格在50，000美元到100，000美元之間，這使得它們對(duì)于日常消費(fèi)者來說有點(diǎn)太貴了。

　　全球定位系統(tǒng)對(duì)這個(gè)問題有一個(gè)聰明、有效的解決方案。每顆衛(wèi)星都包含一個(gè)昂貴的原子鐘，但接收器本身使用一個(gè)普通的 石英鐘，它會(huì)不斷重置。簡而言之，接收器查看來自四顆或更多衛(wèi)星的傳入信號(hào)并衡量其自身的不準(zhǔn)確性。換句話說，接收器可以使用的“當(dāng)前時(shí)間”只有一個(gè)值。正確的時(shí)間值將導(dǎo)致接收器接收的所有信號(hào)在空間中的單個(gè)點(diǎn)對(duì)齊。該時(shí)間值是所有衛(wèi)星中的原子鐘所保持的時(shí)間值。因此，接收器將其時(shí)鐘設(shè)置為該時(shí)間值，然后它具有與所有衛(wèi)星中的所有原子鐘相同的時(shí)間值。GPS接收器“免費(fèi)”獲得原子鐘精度。

　　測量到四個(gè)定位衛(wèi)星的距離時(shí)，可以繪制四個(gè)球體，這些球體都在一個(gè)點(diǎn)上相交。即使你的數(shù)字相差很遠(yuǎn)，三個(gè)球體也會(huì)相交，但是 四 如果測量不正確，球體不會(huì)在某一點(diǎn)相交。由于接收器使用自己的內(nèi)置時(shí)鐘進(jìn)行所有距離測量，因此距離都將是 比例不正確.

　　接收器可以輕松計(jì)算必要的調(diào)整，使四個(gè)球體在一個(gè)點(diǎn)相交?；诖?，它將時(shí)鐘重置為與衛(wèi)星的原子鐘同步。接收器在打開時(shí)不斷執(zhí)行此操作，這意味著它幾乎與衛(wèi)星中昂貴的原子鐘一樣準(zhǔn)確。

　　為了使距離信息有任何用處，接收器還必須知道衛(wèi)星的實(shí)際位置。這并不特別困難，因?yàn)樾l(wèi)星在非常高且可預(yù)測的軌道上運(yùn)行。GPS接收器只是存儲(chǔ)一個(gè) 年鑒 這告訴它每顆衛(wèi)星在任何給定時(shí)間應(yīng)該在哪里。像月球和太陽的拉力這樣的事情確實(shí)會(huì)非常輕微地改變衛(wèi)星的軌道，但國防部會(huì)不斷監(jiān)控它們的確切位置，并將任何調(diào)整作為衛(wèi)星信號(hào)的一部分傳輸?shù)剿蠫PS接收器。

　　在下一節(jié)中，我們將查看可能發(fā)生的錯(cuò)誤，并了解 GPS 接收器如何糾正它們。

　　差分全球定位系統(tǒng)

　　StreetPilot II，一個(gè)GPS接收器，內(nèi)置司機(jī)地圖

　　照片由 佳明到目前為止，我們已經(jīng)了解了GPS接收器如何根據(jù)從四顆定位衛(wèi)星接收的信息計(jì)算其在地球上的位置。這個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好，但確實(shí)會(huì)出現(xiàn)不準(zhǔn)確之處。首先，這種方法假設(shè)無線電信號(hào)將以一致的速度(光速)穿過大氣層。事實(shí)上，地球大氣層在一定程度上減慢了電磁能量的速度，特別是當(dāng)它穿過電離層和對(duì)流層時(shí)。延遲因您在地球上的位置而異，這意味著很難準(zhǔn)確地將其納入距離計(jì)算中。當(dāng)無線電信號(hào)從大型物體(如摩天大樓)反彈時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)問題，給接收器一種衛(wèi)星比實(shí)際更遠(yuǎn)的印象。最重要的是， 衛(wèi)星有時(shí)只是發(fā)送糟糕的年鑒數(shù)據(jù)，錯(cuò)誤地報(bào)告自己的位置。

　　差分全球定位系統(tǒng) (DGPS) 有助于糾正這些錯(cuò)誤?；舅枷胧窃诰哂幸阎恢玫墓潭ń邮照緶y量GPS不準(zhǔn)確性。由于該站的DGPS硬件已經(jīng)知道自己的位置，因此可以輕松計(jì)算其接收器的不準(zhǔn)確性。然后，該電臺(tái)向該地區(qū)所有配備DGPS的接收器廣播無線電信號(hào)，為該地區(qū)提供信號(hào)校正信息。通常，訪問此校正信息使DGPS接收器比普通接收器準(zhǔn)確得多。

　　GPS接收器最基本的功能是接收至少四顆衛(wèi)星的傳輸，并將這些傳輸中的信息與電子年鑒中的信息結(jié)合起來，所有這些都是為了確定接收器在地球上的位置。

　　一旦接收器進(jìn)行此計(jì)算，它就可以告訴您其當(dāng)前位置的緯度，經(jīng)度和高度(或一些類似的測量值)。為了使導(dǎo)航更加用戶友好，大多數(shù)接收器將此原始數(shù)據(jù)插入存儲(chǔ)在 記憶.

　　您可以使用存儲(chǔ)在接收器內(nèi)存中的地圖，將接收器連接到 計(jì)算機(jī) 它可以在其內(nèi)存中保存更詳細(xì)的地圖，或者只是購買您所在區(qū)域的詳細(xì)地圖并使用接收器的緯度和經(jīng)度讀數(shù)找到您的方式。某些接收器允許您將詳細(xì)地圖下載到內(nèi)存中，或使用插入式地圖盒提供詳細(xì)地圖。

　　標(biāo)準(zhǔn)的GPS接收器不僅可以將您放置在地圖上任何特定位置，還可以在您移動(dòng)時(shí)跟蹤您在地圖上的路徑。如果您將接收器保持打開狀態(tài)，它可以與 GPS 衛(wèi)星保持持續(xù)通信，以查看您的位置如何變化。有了這些信息及其內(nèi)置時(shí)鐘，接收器可以為您提供幾條有價(jià)值的信息：

　　您走了多遠(yuǎn)(里程表)

　　您旅行了多長時(shí)間

　　您當(dāng)前的速度(車速表)

　　您的平均速度

　　一條“面包屑”小徑，顯示您在地圖上的確切位置

　　預(yù)計(jì)到達(dá)目的地的時(shí)間(如果您保持當(dāng)前速度)

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　　常見問題

　　全球定位系統(tǒng)是什么意思?

　　GPS 代表 全球定位系統(tǒng)。

　　GPS如何在手機(jī)上工作?

　　GPS代表全球定位系統(tǒng)，是一種用于確定設(shè)備位置的技術(shù)。GPS跟蹤通過使用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)來識(shí)別設(shè)備的位置。然后，設(shè)備使用此信息計(jì)算其位置。

　　什么是GPS和GIS?

　　GPS 代表 全球定位系統(tǒng)。它是一種基于衛(wèi)星的導(dǎo)航系統(tǒng)，可在地球表面或附近的任何地方的所有天氣條件下提供位置和時(shí)間信息。 GIS 代表 地理信息系統(tǒng)。它是一個(gè)旨在捕獲、存儲(chǔ)、操作、分析、管理和呈現(xiàn)空間或地理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。