原標題：GPS原理

GPS 是美國研發的全球衛星導航定位系統，它就像一個覆蓋全球的“定位大網”，能為地球上幾乎所有地方的用戶提供精準的位置、速度和時間信息。無論是陸地上的車輛、海上的船只，還是空中的飛機，甚至是徒步旅行者，都能借助 GPS 確定自己的方位。

GPS 系統構成

空間星座

• 衛星布局：GPS 的空間星座由 24 顆工作衛星和 3 顆備用衛星組成。這些衛星分布在 6 個軌道面上，每個軌道面有 4 顆衛星。它們就像在太空中按照特定規則排列的“燈塔”，軌道高度約 20200 千米，軌道傾角為 55°。這樣的布局保證了全球任何地方、任何時間都能至少看到 4 顆衛星，這是實現精準定位的基礎。

• 衛星作用：衛星上配備了高精度的原子鐘，能產生極其準確的時間信號。同時，衛星會持續向地面發射包含自身位置和時間信息的無線電信號，這些信號是 GPS 定位的關鍵“線索”。

地面監控

• 主控站：主控站是地面監控系統的“大腦”，位于美國科羅拉多州的斯普林斯。它負責收集各個監測站傳來的數據，通過復雜的計算得出衛星的軌道參數、鐘差等信息，然后將這些信息編制成導航電文，再發送給注入站。

• 監測站：全球有 5 個監測站，它們就像分布在各地的“觀察哨”，對衛星進行連續跟蹤觀測。監測站會采集氣象數據、衛星信號的偽距和載波相位等信息，并實時將這些數據傳送給主控站，為主控站的計算提供基礎數據。

• 注入站：注入站有 3 個，它們的作用是將主控站上傳的導航電文和其他控制指令“注入”到相應的衛星中，更新衛星的星歷和時鐘參數，確保衛星能夠準確地向地面發射信號。

用戶設備

• 設備類型：用戶設備主要是 GPS 接收機，它有多種類型，以滿足不同用戶的需求。比如手持式接收機方便徒步旅行者攜帶；車載式接收機可以安裝在汽車上，為司機提供導航服務；船載式和機載式接收機則分別用于海上船只和空中飛機的定位。

• 設備功能：接收機能夠接收衛星發射的信號，測量信號從衛星到接收機的傳播時間。通過對多顆衛星的信號傳播時間進行測量，并結合衛星的位置信息，接收機就能確定自身的三維位置、速度和時間。

GPS 定位原理

偽距測量

• 原理闡述：偽距是接收機測量得到的衛星與接收機之間的距離，但這個距離并不是真實的幾何距離。因為衛星鐘和接收機鐘都可能存在誤差，而且信號在傳播過程中會受到電離層、對流層等因素的影響。接收機通過測量衛星信號的發射時間和接收時間，再結合光速，就能估算出偽距。

• 類比理解：可以把偽距測量想象成在夜晚，你向遠處的幾個路燈發射信號，然后記錄信號從發射到接收到路燈反射信號的時間。由于你的計時工具可能不準確，而且信號在傳播過程中可能會受到空氣等因素的干擾，所以根據時間計算出來的距離只是一個近似值，這就是偽距。

定位計算

• 三維定位思路：要確定接收機在三維空間中的位置（經度、緯度、高度），需要至少測量 4 顆衛星的偽距。這是因為除了要確定三個空間坐標外，還需要考慮接收機鐘差的影響。通過將測量得到的偽距與衛星的位置信息相結合，接收機就可以像解開一個復雜的謎題一樣，計算出自己的準確位置和接收機鐘差。

• 直觀解釋：就像在一個黑暗的房間里，你不知道自己的位置，但你知道房間里四個固定點的位置，并且能測量出自己到這四個點的距離（雖然這些距離可能因為測量工具的誤差而不完全準確）。通過綜合考慮這些距離和固定點的位置，你就可以大致確定自己在房間里的位置。在 GPS 定位中，衛星就是那些固定點，偽距就是測量得到的距離，接收機通過計算就能確定自己的位置。