GPS 接收器使用卫星来精确定位位置。 斯托克跋涉图片社 / 盖蒂图片社

　　我们的祖先不得不采取非常极端的措施以防止迷路。他们竖立了巨大的地标，费力地绘制了详细的地图，并学会了阅读夜空中的星星。

　　今天的事情要容易得多。只需不到100美元，您就可以获得一个袖珍小工具，它可以随时告诉您在地球上的确切位置。只要您有一个GPS接收器和清晰的天空视野，您就不会再迷路了。

　　在本文中，我们将了解这些方便的指南如何实现这个惊人的技巧。正如我们将看到的，全球定位系统庞大，昂贵，涉及许多技术独创性，但工作中的基本概念非常简单直观。

　　当人们谈论“GPS”时，他们通常是指 全球定位系统接收器.这 全球定位系统 (全球定位系统) 实际上是一个 星座 27颗地球轨道卫星(24颗正在运行，3颗在发生故障时额外)。美国军方开发并实施了这个卫星网络作为军事导航系统，但很快就向其他人开放了。

　　这些3，000至4，000磅重的太阳能卫星中的每一颗都以大约12，000英里(19，300公里)的速度环绕地球，每天进行两次完整的旋转。轨道的排列使得在地球上的任何时间，任何地方，天空中至少有四颗卫星“可见”。

　　GPS接收器的工作是定位四颗或更多颗这样的卫星，计算出与每颗卫星的距离，并使用这些信息来推断自己的位置。此操作基于一个简单的数学原理，称为 三边测量.三维空间中的三边测量可能有点棘手，因此我们将从简单的二维三边测量的解释开始。

　　二维三边测量

　　想象一下，你在美国的某个地方，你完全迷路了——不管出于什么原因，你完全不知道你在哪里。你找到一个友好的当地人，问：“我在哪里?”他说，“你离爱达荷州的博伊西625英里。

　　这是一个很好的、铁的事实，但它本身并不是特别有用。您可以在博伊西周围半径为 625 英里的圆圈上的任何地方，如下所示：

　　你问别人你在哪里，她说，“你离明尼苏达州的明尼阿波利斯有690英里。 现在你正在到达某个地方。如果将此信息与博伊西信息相结合，则有两个相交的圆圈。您现在知道，如果您距离博伊西 625 英里，距离明尼阿波利斯 690 英里，您必须在这两个交叉点之一。

　　如果第三个人告诉你，你离亚利桑那州图森有615英里，你可以排除其中一种可能性，因为第三个圆圈只会与其中一个点相交。你现在确切地知道你在哪里 - 科罗拉多州的丹佛。

　　同样的概念也适用于三维空间，但你正在处理 领域 而不是圆圈。在下一节中，我们将介绍这种类型的三边测量。

　　三维三边测量

　　从根本上说，三维三边测量与二维三边测量没有太大区别，但可视化起来有点棘手。想象一下前面示例中的半径向各个方向移动。所以你得到的不是一系列的圆，而是一系列的球体。

　　如果你知道你距离天空中的卫星A有10英里，那么你可能在一个巨大的假想球体表面上的任何地方，半径为10英里。如果您也知道距离卫星 B 15 英里，则可以将第一个球体与另一个更大的球体重叠。球体在一个完美的圆中相交。如果你知道到第三颗卫星的距离，你会得到第三个球体，它在两点上与这个圆相交。

　　地球本身可以充当第四个球体——两个可能的点中只有一个实际上在行星表面，所以你可以消除太空中的那个。然而，接收器通常着眼于四颗或更多卫星，以提高准确性并提供精确的高度信息。

　　为了进行这个简单的计算，GPS接收器必须知道两件事：

　　您上方至少三颗卫星的位置

　　您与每颗卫星之间的距离

　　GPS接收器通过分析高频、低功耗来计算这两件事。 无线电信号 来自全球定位系统卫星。更好的单元有多个接收器，因此它们可以同时接收来自多个卫星的信号。

　　无线电波 是电磁能，这意味着它们以光速传播(约每秒186，000英里，真空中每秒300，000公里)。接收器可以通过计时信号到达的时间来确定信号传播了多远。在下一节中，我们将看到接收器和卫星如何协同工作以进行此测量。

　　全球定位系统计算

　　全球定位系统卫星

　　照片由 美国陆军在上一页中，我们看到 GPS 接收器通过计时信号从卫星到接收器的旅程来计算到 GPS 卫星的距离。事实证明，这是一个相当复杂的过程。

　　在特定时间(比如午夜)，卫星开始传输一种称为 伪随机码.接收器也在午夜开始运行相同的数字模式。当卫星的信号到达接收器时，其模式的传输将比接收器播放的模式滞后一点。

　　延迟的长度等于信号的传播时间。接收器将此时间乘以光速以确定信号传播的距离。假设信号沿直线传播，这是从接收器到卫星的距离。

　　为了进行这种测量，接收器和卫星都需要可以同步到纳秒的时钟。要仅使用同步时钟制作卫星定位系统，您需要具有 原子钟 不仅在所有卫星上，而且在接收器本身上。但是原子钟的价格在50，000美元到100，000美元之间，这使得它们对于日常消费者来说有点太贵了。

　　全球定位系统对这个问题有一个聪明、有效的解决方案。每颗卫星都包含一个昂贵的原子钟，但接收器本身使用一个普通的 石英钟，它会不断重置。简而言之，接收器查看来自四颗或更多卫星的传入信号并衡量其自身的不准确性。换句话说，接收器可以使用的“当前时间”只有一个值。正确的时间值将导致接收器接收的所有信号在空间中的单个点对齐。该时间值是所有卫星中的原子钟所保持的时间值。因此，接收器将其时钟设置为该时间值，然后它具有与所有卫星中的所有原子钟相同的时间值。GPS接收器“免费”获得原子钟精度。

　　测量到四个定位卫星的距离时，可以绘制四个球体，这些球体都在一个点上相交。即使你的数字相差很远，三个球体也会相交，但是 四 如果测量不正确，球体不会在某一点相交。由于接收器使用自己的内置时钟进行所有距离测量，因此距离都将是 比例不正确.

　　接收器可以轻松计算必要的调整，使四个球体在一个点相交。基于此，它将时钟重置为与卫星的原子钟同步。接收器在打开时不断执行此操作，这意味着它几乎与卫星中昂贵的原子钟一样准确。

　　为了使距离信息有任何用处，接收器还必须知道卫星的实际位置。这并不特别困难，因为卫星在非常高且可预测的轨道上运行。GPS接收器只是存储一个 年鉴 这告诉它每颗卫星在任何给定时间应该在哪里。像月球和太阳的拉力这样的事情确实会非常轻微地改变卫星的轨道，但国防部会不断监控它们的确切位置，并将任何调整作为卫星信号的一部分传输到所有GPS接收器。

　　在下一节中，我们将查看可能发生的错误，并了解 GPS 接收器如何纠正它们。

　　差分全球定位系统

　　StreetPilot II，一个GPS接收器，内置司机地图

　　照片由 佳明到目前为止，我们已经了解了GPS接收器如何根据从四颗定位卫星接收的信息计算其在地球上的位置。这个系统运行良好，但确实会出现不准确之处。首先，这种方法假设无线电信号将以一致的速度(光速)穿过大气层。事实上，地球大气层在一定程度上减慢了电磁能量的速度，特别是当它穿过电离层和对流层时。延迟因您在地球上的位置而异，这意味着很难准确地将其纳入距离计算中。当无线电信号从大型物体(如摩天大楼)反弹时，也会出现问题，给接收器一种卫星比实际更远的印象。最重要的是， 卫星有时只是发送糟糕的年鉴数据，错误地报告自己的位置。

　　差分全球定位系统 (DGPS) 有助于纠正这些错误。基本思想是在具有已知位置的固定接收站测量GPS不准确性。由于该站的DGPS硬件已经知道自己的位置，因此可以轻松计算其接收器的不准确性。然后，该电台向该地区所有配备DGPS的接收器广播无线电信号，为该地区提供信号校正信息。通常，访问此校正信息使DGPS接收器比普通接收器准确得多。

　　GPS接收器最基本的功能是接收至少四颗卫星的传输，并将这些传输中的信息与电子年鉴中的信息结合起来，所有这些都是为了确定接收器在地球上的位置。

　　一旦接收器进行此计算，它就可以告诉您其当前位置的纬度，经度和高度(或一些类似的测量值)。为了使导航更加用户友好，大多数接收器将此原始数据插入存储在 记忆.

　　您可以使用存储在接收器内存中的地图，将接收器连接到 计算机 它可以在其内存中保存更详细的地图，或者只是购买您所在区域的详细地图并使用接收器的纬度和经度读数找到您的方式。某些接收器允许您将详细地图下载到内存中，或使用插入式地图盒提供详细地图。

　　标准的GPS接收器不仅可以将您放置在地图上任何特定位置，还可以在您移动时跟踪您在地图上的路径。如果您将接收器保持打开状态，它可以与 GPS 卫星保持持续通信，以查看您的位置如何变化。有了这些信息及其内置时钟，接收器可以为您提供几条有价值的信息：

　　您走了多远(里程表)

　　您旅行了多长时间

　　您当前的速度(车速表)

　　您的平均速度

　　一条“面包屑”小径，显示您在地图上的确切位置

　　预计到达目的地的时间(如果您保持当前速度)

　　有关GPS接收器和相关主题的更多信息，请查看以下链接。

　　常见问题

　　全球定位系统是什么意思?

　　GPS 代表 全球定位系统。

　　GPS如何在手机上工作?

　　GPS代表全球定位系统，是一种用于确定设备位置的技术。GPS跟踪通过使用卫星网络来识别设备的位置。然后，设备使用此信息计算其位置。

　　什么是GPS和GIS?

　　GPS 代表 全球定位系统。它是一种基于卫星的导航系统，可在地球表面或附近的任何地方的所有天气条件下提供位置和时间信息。 GIS 代表 地理信息系统。它是一个旨在捕获、存储、操作、分析、管理和呈现空间或地理数据的系统。