5分鐘了解GPS定位原理

礦泉水

2020年6月23日9時43分，西昌衛星發射中心，我國北斗三號全球衛星導航系統最后一顆“收官之星”發射升空。隨著衛星順利進入預定軌道，也正式宣告發射成功。至此，我國北斗衛星導航系統的55顆衛星全部發射入網。GPS全名叫“Global ?Positioning ?System”，即全球定位系統，最早起源于美國的軍事項目。中國的北斗、美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯、歐盟的伽利略，這4套全球定位系統的原理基本是一樣的。我們除了可以用全球定位系統進行導航，引導我們到某地，還可用于應急通訊、地理測繪、呼叫指揮等。

大家可能不知道，其實GPS除了可以定位，還可以授時，也就是告訴你準確的時間。比如我們這里有一輛帶有GPS接收機的汽車，假設我們不知道這輛汽車的空間坐標、、，也不知道它的時間坐標。

但是，我們可以從衛星接收一些信息。衛星內部有星歷，知道自己準確的空間坐標、、，同時因為衛星有精確的原子鐘，我們也可以得到一個準確的時間，衛星會把這些信息發送給汽車。

坐標和時間其實是有一定的聯系的，通過坐標或通過時間，我們都可以算出GPS接收機與衛星之間的距離，也就是下圖中汽車與衛星之間線段的長度。通過坐標計算距離就是用勾股定理，設汽車到衛星距離為，則，開平方后可得。

我們再通過時間來求出汽車到衛星的距離，即信號傳輸的速度乘以信號傳輸的時間，也就是，其中為光速，我們取。我們通過以上兩種方式算出的距離，實際上它們是相等的，所以我們會得到這個方程：。

在這個方程里，有4個未知數、、和，根據我們學過的數學知識，通過這一個方程我們是不能解出這4個未知數的，我們需要4個這樣的方程才可以解。因此，汽車再接收3個衛星的數據，我們就可以得到另外3個方程，最終我們就可以解出、、和。

所以，GPS接收機至少要通過4顆衛星才能確定自己的空間坐標和時間坐標。而且，如果想要得到更穩定、更好的信號的話，還需要提升GPS衛星數量以達到信號的有效覆蓋總面積上升，實現“無縫覆蓋”。

GPS衛星定位最不好解決的問題就是誤差，因為信號在傳輸的時候，受大氣等因素的影響，速度哪怕慢一丁點，誤差都比較大。想要減少誤差，我們就要用差分GPS這項技術，它可以大大提高GPS的定位精度。在與汽車相對較近的已知坐標點上布放一個GPS基準站，它也可以接收到為汽車提供位置信息的衛星的信號，根據這些信號算出坐標值，與已知的固定坐標比較，得出坐標的偏差量，然后將偏差量或者實時測得的載波相位，通過數傳鏈路或移動通信網絡發送給汽車，汽車再根據接收到的信息進行修正。

·為什么GPS衛星不會“累”？·

許多人有這樣一種誤解，認為地球上有那么多設備都在同時使用GPS定位，GPS衛星處理得過來嗎？GPS衛星難道不會“累”嗎？

實際上，并不是GPS衛星處理全球的位置請求，而是設備接收到衛星信號之后，自己通過算法實現定位，即所謂的“被動定位”。簡單地說，不是設備問衛星：“我在哪？現在幾點？”而是衛星不停在廣播：“我在這里，現在時間是XXX！”即GPS衛星只負責發射信號，設備只負責接收信號，二者之間是沒有其他交流的。