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什么是GPS，它是如何工作的？

GPS即全球定位系統(tǒng)，是一種導(dǎo)航系統(tǒng)，使用衛(wèi)星、接收器和算法同步位置、速度和時(shí)間數(shù)據(jù)，用于海陸空定位。

該衛(wèi)星系統(tǒng)是一個(gè)由24顆衛(wèi)星組成的星座，位于6個(gè)以地球?yàn)?a target="_blank">中心的軌道平面上，每個(gè)軌道平面上有4顆衛(wèi)星，在地球上空20000公里的軌道上以14000公里每小時(shí)的速度運(yùn)行。

雖然我們只需要三顆衛(wèi)星就能確定地球表面的位置，但第四顆衛(wèi)星經(jīng)常被用來驗(yàn)證其他三顆衛(wèi)星提供的信息是否準(zhǔn)確；第四顆衛(wèi)星也讓用戶進(jìn)入了三維空間，可以計(jì)算設(shè)備的高度。

GPS的三個(gè)要素是什么？

GPS由三個(gè)部分組成，共同提供位置信息，分別為：

空間段——環(huán)繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星，按地理位置和時(shí)間向用戶發(fā)送信號(hào)；

地面段——由地面監(jiān)控站、主控制站和地面天線組成?？刂苹顒?dòng)包括跟蹤和操作空間衛(wèi)星以及監(jiān)測(cè)傳輸。世界上幾乎每個(gè)大洲都有監(jiān)測(cè)站，包括北美、南美、非洲、歐洲、亞洲和澳大利亞；

用戶段——GPS接收器和發(fā)射器，包括手表，智能手機(jī)和遠(yuǎn)程通訊設(shè)備。

GPS技術(shù)是如何工作的？

GPS使用一種叫做三邊定位的技術(shù)工作；這種技術(shù)用于計(jì)算位置、速度和高度，收集衛(wèi)星信號(hào)輸出位置信息。

環(huán)繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星發(fā)送信號(hào)，由位于地球表面或附近的GPS設(shè)備讀取和解讀。要計(jì)算位置，GPS設(shè)備必須能夠讀取來自至少四顆衛(wèi)星的信號(hào)。

網(wǎng)絡(luò)中的每顆衛(wèi)星每天環(huán)繞地球兩次，每顆衛(wèi)星發(fā)送獨(dú)特的信號(hào)、軌道參數(shù)和時(shí)間。在任何給定的時(shí)刻，GPS設(shè)備都可以讀取至少6顆衛(wèi)星的信號(hào)。

一顆衛(wèi)星會(huì)發(fā)出微波信號(hào)，由GPS裝置接收，用以計(jì)算從GPS裝置到衛(wèi)星的距離。由于GPS設(shè)備只提供與衛(wèi)星的距離信息，一顆衛(wèi)星不能提供太多的位置信息。衛(wèi)星不會(huì)發(fā)出關(guān)于角度的信息，所以GPS設(shè)備的位置可能在球體表面的任何地方。

當(dāng)?shù)谝活w衛(wèi)星發(fā)送信號(hào)時(shí)，它會(huì)形成一個(gè)圓，其半徑由GPS設(shè)備測(cè)量到衛(wèi)星。

再加一顆衛(wèi)星，就會(huì)產(chǎn)生第二個(gè)圓，而位置就會(huì)縮小到兩個(gè)圓的交點(diǎn)之一。

有了第三顆衛(wèi)星，設(shè)備的位置就可以最終確定，因?yàn)樵撛O(shè)備位于所有三個(gè)圓的交點(diǎn)上。

也就是說，我們生活在一個(gè)三維世界里，這意味著每顆衛(wèi)星產(chǎn)生的是一個(gè)球體，而不是一個(gè)圓。三個(gè)球體的交點(diǎn)產(chǎn)生兩個(gè)交點(diǎn)，因此選擇離地球最近的點(diǎn)。

下面是衛(wèi)星測(cè)距的圖解：

當(dāng)一個(gè)設(shè)備移動(dòng)時(shí)，半徑（到衛(wèi)星的距離）就會(huì)改變。當(dāng)半徑改變時(shí)，產(chǎn)生了新的球體，給了我們一個(gè)新的位置。我們可以利用這些數(shù)據(jù)，結(jié)合衛(wèi)星的時(shí)間，來確定速度，計(jì)算到目的地的距離和ETA（Estimated Time of Arrival， 即估計(jì)到達(dá)時(shí)間）。

GPS的用途是什么？

對(duì)于許多不同行業(yè)的企業(yè)和組織來說，GPS是一個(gè)強(qiáng)大可靠的工具。測(cè)量員、科學(xué)家、領(lǐng)航員、船長(zhǎng)、急救人員以及采礦和農(nóng)業(yè)工人，只是日常工作中使用GPS的一部分。他們使用GPS信息來完成精準(zhǔn)調(diào)查和地圖繪制，進(jìn)行精確的時(shí)間測(cè)量、位置定位或跟蹤，以及導(dǎo)航等。GPS在任何時(shí)間和幾乎所有天氣條件下都能工作。

GPS主要有五種用途：

定位——確定位置；

導(dǎo)航——確定從一個(gè)位置到另一個(gè)位置的路線；

跟蹤——監(jiān)控對(duì)象或個(gè)人運(yùn)動(dòng)；

映射——?jiǎng)?chuàng)建世界地圖；

計(jì)時(shí)——使精確的時(shí)間測(cè)量成為可能。

GPS用例的一些具體例子包括：

應(yīng)急響應(yīng)

在發(fā)生緊急情況或自然災(zāi)害時(shí)，第一反應(yīng)人員使用GPS繪制地圖、跟蹤和預(yù)測(cè)天氣，并跟蹤應(yīng)急人員。在歐盟和俄羅斯，eCall法規(guī)依靠GLONASS技術(shù)（一種GPS替代技術(shù)）和遠(yuǎn)程信息技術(shù)，在發(fā)生車禍時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送給緊急服務(wù)機(jī)構(gòu)，縮短了響應(yīng)時(shí)間；

娛樂

GPS可以整合到游戲和活動(dòng)中，如Pokémon Go和Geocaching；

健康和健身

智能手表和可穿戴技術(shù)可以跟蹤健身活動(dòng)（如跑步距離），并根據(jù)類似的人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試；

建筑、采礦和越野卡車運(yùn)輸

從定位設(shè)備到測(cè)量和改善資產(chǎn)配置，GPS使公司能夠提高資產(chǎn)回報(bào)率；

運(yùn)輸

物流公司實(shí)施遠(yuǎn)程信息系統(tǒng)，以提高司機(jī)的生產(chǎn)力和安全性；卡車跟蹤器可用于支持路線優(yōu)化、燃油效率、司機(jī)安全及合規(guī)。

其他使用GPS的行業(yè)包括農(nóng)業(yè)、自動(dòng)駕駛汽車、銷售和服務(wù)、軍事、移動(dòng)通信、安全和漁業(yè)等。

GPS有多精確？

GPS設(shè)備的準(zhǔn)確性取決于許多變量，比如可用衛(wèi)星的數(shù)量、電離層、城市環(huán)境等等。

影響GPS精度的因素包括：

物理障礙

到達(dá)時(shí)間的測(cè)量可能會(huì)被大山、建筑物、樹木等大的物體所扭曲；

大氣影響

電離層延遲、強(qiáng)風(fēng)暴覆蓋和太陽風(fēng)暴都會(huì)影響GPS設(shè)備；

星歷

衛(wèi)星內(nèi)部的軌道模型可能是錯(cuò)誤的或過時(shí)的，盡管這變得越來越罕見；

數(shù)值計(jì)算錯(cuò)誤

當(dāng)設(shè)備硬件設(shè)計(jì)不符合規(guī)格時(shí)，這可能是一個(gè)因素；

人工干擾

包括GPS干擾設(shè)備或欺騙。

在沒有相鄰高層建筑的開放區(qū)域，準(zhǔn)確度往往更高，這種效應(yīng)被稱為城市峽谷。當(dāng)一個(gè)設(shè)備被大型建筑包圍時(shí)，比如在曼哈頓市中心或多倫多，衛(wèi)星信號(hào)首先被屏蔽，然后被建筑反射，最后被設(shè)備讀取，這可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)衛(wèi)星距離的錯(cuò)誤計(jì)算。

GPS簡(jiǎn)史

幾千年來，人類一直在利用太陽、月亮、星星以及后來的六分儀來進(jìn)行航海。GPS是20世紀(jì)由于太空時(shí)代的技術(shù)而取得的一項(xiàng)進(jìn)步。

GPS技術(shù)在歷史上一直在全球范圍內(nèi)使用。1957年俄羅斯斯普特尼克一號(hào)衛(wèi)星的發(fā)射帶來了地理定位能力的可能性，不久之后，美國(guó)國(guó)防部開始使用它進(jìn)行潛艇導(dǎo)航。

1983年，美國(guó)政府公開了GPS，但仍然控制著可用的數(shù)據(jù)；直到2000年，公司和普通公眾才完全獲得了GPS的使用權(quán)，最終為更廣泛的GPS發(fā)展鋪平了道路。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）

GPS被認(rèn)為是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS），這意味著它是一個(gè)覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。截至2021年，有三個(gè)全面運(yùn)行的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)：美國(guó)NAVSTAR GPS、俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS）以及中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BDS。NAVSTAR GPS由美國(guó)擁有的32顆衛(wèi)星組成，是最著名和應(yīng)用最廣泛的衛(wèi)星系統(tǒng)；俄羅斯的GLONASS由24顆運(yùn)行衛(wèi)星組成，剩下3顆作為備用衛(wèi)星或正在測(cè)試中；中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由55顆運(yùn)行衛(wèi)星組成，與其它衛(wèi)星定位系統(tǒng)最大的不同點(diǎn)在于它是一種雙向傳播的方式，除了單純地定位以外，還能發(fā)送定位。

其他國(guó)家也在競(jìng)相追趕。例如，歐盟一直在研究伽利略系統(tǒng)；日本和印度也在各自的區(qū)域系統(tǒng)上進(jìn)展順利，即準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（QZSS）和印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（IRNSS）。

GPS和GNSS設(shè)備

雖然GPS是GNSS的一個(gè)子集，但接收器被區(qū)分為GPS（僅指GPS）或GNSS。GPS接收器只能從GPS衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的衛(wèi)星讀取信息，而典型的GNSS設(shè)備可以同時(shí)從GPS、GLONASS和BDS接收信息。

一個(gè)GNSS接收器有60顆衛(wèi)星可供觀測(cè)。雖然一個(gè)設(shè)備只需要三顆衛(wèi)星就可以確定它的位置，但衛(wèi)星數(shù)量越多，準(zhǔn)確度就越高。下面的圖表顯示了可用衛(wèi)星數(shù)量的一個(gè)例子（綠色顯示），以及它對(duì)GPS接收器的信號(hào)強(qiáng)度（柱高）。在這種情況下，有12顆衛(wèi)星可用。

典型的gps測(cè)試板顯示12個(gè)衛(wèi)星信號(hào)

GNSS設(shè)備可以看到更多的衛(wèi)星，這有助于提高設(shè)備的精度。在下面的圖表中，有17顆可用的衛(wèi)星；綠條是GPS的一部分，藍(lán)條是GLONASS的一部分。

典型的GNSS測(cè)試板顯示17個(gè)衛(wèi)星信號(hào)

向接收器提供信息的衛(wèi)星數(shù)量越多，GPS設(shè)備就能更精確地計(jì)算位置；當(dāng)接收器計(jì)算出用戶的位置時(shí)，衛(wèi)星越多，設(shè)備就越有可能得到定位。

盡管如此，GNSS接收機(jī)也有一些缺點(diǎn)：

GNSS芯片的成本高于GPS設(shè)備；

GNSS比GPS （1559-1591 MHz）使用更寬的帶寬（1559-1610 MHz），這意味著標(biāo)準(zhǔn)的GPS射頻組件，如天線、濾波器和放大器，不能用于GNSS接收機(jī)，導(dǎo)致成本更高；

耗電量將略高于GPS接收器，因?yàn)樗B接更多的衛(wèi)星，并運(yùn)行計(jì)算來確定位置。

GPS的未來

目前各國(guó)還在繼續(xù)建設(shè)同時(shí)改進(jìn)其GPS系統(tǒng)，全世界都在努力提高精度，提高可靠性和GPS功能。

例如：

GNSS接收器預(yù)計(jì)將變得更小、更精確和更高效，而GNSS技術(shù)也將滲透到成本敏感的GPS應(yīng)用中；

科學(xué)家和救援人員正在尋找新的方法，在發(fā)生地震、火山爆發(fā)、天坑或雪崩時(shí)，利用GPS技術(shù)進(jìn)行自然災(zāi)害預(yù)防和分析；對(duì)于COVID-19大流行，研究人員正在研究使用手機(jī)位置數(shù)據(jù)來協(xié)助追蹤接觸者，以減緩病毒的傳播；

新的GPS III衛(wèi)星的發(fā)射將把GPS精度提高到1-3米，提高導(dǎo)航能力，預(yù)計(jì)最早在2023年推出更持久的組件；

下一代GPS衛(wèi)星將包括更好的信號(hào)保護(hù)，降低對(duì)信號(hào)干擾的敏感性，以及在覆蓋死區(qū)方面更具可操作性；

美國(guó)國(guó)家航空航天局的深空原子鐘將使用一個(gè)強(qiáng)大的機(jī)載GPS衛(wèi)星，以幫助未來宇航員進(jìn)行深空旅行時(shí)提供更好的時(shí)間一致性。

可以預(yù)見，無論對(duì)于個(gè)人還是商業(yè)用途，未來的GPS追蹤將會(huì)更加精確和有效。

原文鏈接：

https://www.geotab.com/blog/what-is-gps/

編輯：jq