GPS 接收器使用衛星來精確定位位置。 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，費力地繪制了詳細的地圖，并學會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，您就可以獲得一個袖珍小工具，它可以隨時告訴您在地球上的確切位置。只要您有一個GPS接收器和清晰的天空視野，您就不會再迷路了。

　　在本文中，我們將了解這些方便的指南如何實現這個驚人的技巧。正如我們將看到的，全球定位系統龐大，昂貴，涉及許多技術獨創性，但工作中的基本概念非常簡單直觀。

　　當人們談論“GPS”時，他們通常是指 全球定位系統接收器.這 全球定位系統 (全球定位系統) 實際上是一個 星座 27顆地球軌道衛星(24顆正在運行，3顆在發生故障時額外)。美國軍方開發并實施了這個衛星網絡作為軍事導航系統，但很快就向其他人開放了。

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

　　GPS接收器的工作是定位四顆或更多顆這樣的衛星，計算出與每顆衛星的距離，并使用這些信息來推斷自己的位置。此操作基于一個簡單的數學原理，稱為 三邊測量.三維空間中的三邊測量可能有點棘手，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。你找到一個友好的當地人，問：“我在哪里?”他說，“你離愛達荷州的博伊西625英里。

　　這是一個很好的、鐵的事實，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，“你離明尼蘇達州的明尼阿波利斯有690英里。 現在你正在到達某個地方。如果將此信息與博伊西信息相結合，則有兩個相交的圓圈。您現在知道，如果您距離博伊西 625 英里，距離明尼阿波利斯 690 英里，您必須在這兩個交叉點之一。

　　如果第三個人告訴你，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，因為第三個圓圈只會與其中一個點相交。你現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 領域 而不是圓圈。在下一節中，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別，但可視化起來有點棘手。想象一下前面示例中的半徑向各個方向移動。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星A有10英里，那么你可能在一個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星 B 15 英里，則可以將第一個球體與另一個更大的球體重疊。球體在一個完美的圓中相交。如果你知道到第三顆衛星的距離，你會得到第三個球體，它在兩點上與這個圓相交。

　　地球本身可以充當第四個球體——兩個可能的點中只有一個實際上在行星表面，所以你可以消除太空中的那個。然而，接收器通常著眼于四顆或更多衛星，以提高準確性并提供精確的高度信息。

　　為了進行這個簡單的計算，GPS接收器必須知道兩件事：

　　您上方至少三顆衛星的位置

　　您與每顆衛星之間的距離

　　GPS接收器通過分析高頻、低功耗來計算這兩件事。 無線電信號 來自全球定位系統衛星。更好的單元有多個接收器，因此它們可以同時接收來自多個衛星的信號。

　　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)。接收器可以通過計時信號到達的時間來確定信號傳播了多遠。在下一節中，我們將看到接收器和衛星如何協同工作以進行此測量。

　　全球定位系統計算

　　全球定位系統衛星

　　照片由 美國陸軍在上一頁中，我們看到 GPS 接收器通過計時信號從衛星到接收器的旅程來計算到 GPS 衛星的距離。事實證明，這是一個相當復雜的過程。

　　在特定時間(比如午夜)，衛星開始傳輸一種稱為 偽隨機碼.接收器也在午夜開始運行相同的數字模式。當衛星的信號到達接收器時，其模式的傳輸將比接收器播放的模式滯后一點。

　　延遲的長度等于信號的傳播時間。接收器將此時間乘以光速以確定信號傳播的距離。假設信號沿直線傳播，這是從接收器到衛星的距離。

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

　　全球定位系統對這個問題有一個聰明、有效的解決方案。每顆衛星都包含一個昂貴的原子鐘，但接收器本身使用一個普通的 石英鐘，它會不斷重置。簡而言之，接收器查看來自四顆或更多衛星的傳入信號并衡量其自身的不準確性。換句話說，接收器可以使用的“當前時間”只有一個值。正確的時間值將導致接收器接收的所有信號在空間中的單個點對齊。該時間值是所有衛星中的原子鐘所保持的時間值。因此，接收器將其時鐘設置為該時間值，然后它具有與所有衛星中的所有原子鐘相同的時間值。GPS接收器“免費”獲得原子鐘精度。

　　測量到四個定位衛星的距離時，可以繪制四個球體，這些球體都在一個點上相交。即使你的數字相差很遠，三個球體也會相交，但是 四 如果測量不正確，球體不會在某一點相交。由于接收器使用自己的內置時鐘進行所有距離測量，因此距離都將是 比例不正確.

　　接收器可以輕松計算必要的調整，使四個球體在一個點相交。基于此，它將時鐘重置為與衛星的原子鐘同步。接收器在打開時不斷執行此操作，這意味著它幾乎與衛星中昂貴的原子鐘一樣準確。

　　為了使距離信息有任何用處，接收器還必須知道衛星的實際位置。這并不特別困難，因為衛星在非常高且可預測的軌道上運行。GPS接收器只是存儲一個 年鑒 這告訴它每顆衛星在任何給定時間應該在哪里。像月球和太陽的拉力這樣的事情確實會非常輕微地改變衛星的軌道，但國防部會不斷監控它們的確切位置，并將任何調整作為衛星信號的一部分傳輸到所有GPS接收器。

　　在下一節中，我們將查看可能發生的錯誤，并了解 GPS 接收器如何糾正它們。

　　差分全球定位系統

　　StreetPilot II，一個GPS接收器，內置司機地圖

　　照片由 佳明到目前為止，我們已經了解了GPS接收器如何根據從四顆定位衛星接收的信息計算其在地球上的位置。這個系統運行良好，但確實會出現不準確之處。首先，這種方法假設無線電信號將以一致的速度(光速)穿過大氣層。事實上，地球大氣層在一定程度上減慢了電磁能量的速度，特別是當它穿過電離層和對流層時。延遲因您在地球上的位置而異，這意味著很難準確地將其納入距離計算中。當無線電信號從大型物體(如摩天大樓)反彈時，也會出現問題，給接收器一種衛星比實際更遠的印象。最重要的是， 衛星有時只是發送糟糕的年鑒數據，錯誤地報告自己的位置。

　　差分全球定位系統 (DGPS) 有助于糾正這些錯誤。基本思想是在具有已知位置的固定接收站測量GPS不準確性。由于該站的DGPS硬件已經知道自己的位置，因此可以輕松計算其接收器的不準確性。然后，該電臺向該地區所有配備DGPS的接收器廣播無線電信號，為該地區提供信號校正信息。通常，訪問此校正信息使DGPS接收器比普通接收器準確得多。

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

　　一旦接收器進行此計算，它就可以告訴您其當前位置的緯度，經度和高度(或一些類似的測量值)。為了使導航更加用戶友好，大多數接收器將此原始數據插入存儲在 記憶.

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

　　標準的GPS接收器不僅可以將您放置在地圖上任何特定位置，還可以在您移動時跟蹤您在地圖上的路徑。如果您將接收器保持打開狀態，它可以與 GPS 衛星保持持續通信，以查看您的位置如何變化。有了這些信息及其內置時鐘，接收器可以為您提供幾條有價值的信息：

　　您走了多遠(里程表)

　　您旅行了多長時間

　　您當前的速度(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

　　預計到達目的地的時間(如果您保持當前速度)

　　有關GPS接收器和相關主題的更多信息，請查看以下鏈接。

　　常見問題

　　全球定位系統是什么意思?

　　GPS 代表 全球定位系統。

　　GPS如何在手機上工作?

　　GPS代表全球定位系統，是一種用于確定設備位置的技術。GPS跟蹤通過使用衛星網絡來識別設備的位置。然后，設備使用此信息計算其位置。

　　什么是GPS和GIS?

　　GPS 代表 全球定位系統。它是一種基于衛星的導航系統，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間信息。 GIS 代表 地理信息系統。它是一個旨在捕獲、存儲、操作、分析、管理和呈現空間或地理數據的系統。