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GPS接收機工作原理

為了不迷路，我們的祖先不得不進行非常艱苦的測量工作。他們所采取的方式包括樹立里程碑，進行艱苦的地圖繪制工作以及學(xué)習(xí)如何利用夜空中的星星辨別方向。

如今，一切變得非常簡單。您只需花費不到100美元就可以獲得一個可以裝在口袋里的小工具，它在任何時候都可以告訴您在地球上的確切位置。只要您有一個GPS接收機并能使它無遮掩地對準天空，您就永遠不會再迷路。

在本文中，我們將了解到這些便攜式指南裝置如何實現(xiàn)這個令人稱奇的功能。正如我們所知道的，雖然衛(wèi)星定位系統(tǒng)十分龐大、昂貴并且融入了許多技術(shù)發(fā)明，但它的工作原理卻非常簡單明了，下面進入GPS接收機工作原理正文。

當人們談到“GPS”時，通常是指GPS接收機。衛(wèi)星定位系統(tǒng) (GPS) 實際上是一個衛(wèi)星群，由27顆沿環(huán)地球軌道運行的衛(wèi)星（24顆為工作衛(wèi)星，另外三顆為備用衛(wèi)星）組成。雖然這一衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由美方研發(fā)并作為導(dǎo)航系統(tǒng)而使用，但很快這一系統(tǒng)就進入了普通百姓的生活中。

NAVSTAR GPS衛(wèi)星 NASA 供圖

每一顆由太陽能提供動力的衛(wèi)星的造價在3,000-4,000英鎊之間，并且在地球上空大約19,300千米的高度繞地球運行，每天繞地球運轉(zhuǎn)兩周。它們的運行軌道是經(jīng)過特殊安排的，所以在任何時候，地球上任何地方的上空都至少可以“見到”四顆衛(wèi)星。

GPS衛(wèi)星群的示意圖 美國供圖

GPS接收機的任務(wù)就是確定四顆或更多衛(wèi)星的位置，并計算出它與每顆衛(wèi)星之間的距離，然后用這些信息推算出自己的位置。這一計算過程的基礎(chǔ)是一條被稱為三邊測量法的簡單數(shù)學(xué)定理。三維空間的三邊測量法稍微復(fù)雜一點，所以我們先從簡單的二維三邊測量法進行說明。 在這之前，我們先看一些有關(guān)GPS的精彩實錄。

顆GPS衛(wèi)星于1978年發(fā)射。

目前使用的系統(tǒng)是由第二代GPS衛(wèi)星組成的，稱為Block II。顆Block II衛(wèi)星于1989年發(fā)射，美國于1995年宣布GPS全面運作，當該系統(tǒng)剛剛推出時，GPS信號傳輸中存在故意計算錯誤的做法，以此限制非GPS接收機的精確度。2000年5月份，相關(guān)部門停止了這一做法。這時，已有24顆GPS衛(wèi)星運行在軌道上。這24顆衛(wèi)星的建造和發(fā)射總共花費了約120億美元。每顆衛(wèi)星重約787公斤。這些衛(wèi)星運行在地球上空約2萬公里的軌道上。衛(wèi)星沿軌道繞地球運行一周的時間為12小時。俄羅斯也有一套與美國一樣的系統(tǒng)，被稱為GLONASS系統(tǒng)。

二維三邊測量法

想象一下，您正身處美國的某地并且迷了路——由于某種原因，您沒有任何線索來確定位置。您找到一位友善的當?shù)厝藛柕溃?ldquo;我在哪兒？” 他回答說，“這里是距離愛達荷州（Idaho）博伊西市（Boise）約1005千米的地方。”

這是一個表面上看似精確，但對您來說沒有什么實際用處的答案。您可能在以博伊西市為中心半徑1005千米的圓周上的任何地方，比如：

GPS 三邊示意圖

當您再次向某人問路時，她回答說，“這里是距離明尼蘇達州（Minnesota）明尼阿波利斯市（Minneapolis）約1110千米的地方。” 現(xiàn)在您就有了些頭緒。如果您把這一信息與前面得到的關(guān)于博伊西市的信息結(jié)合起來分析，您就會得到兩個相交的圓。如果您距離博伊西市1005千米而且距離明尼阿波利斯市1110千米，那么就可以知道您現(xiàn)在處在這兩個交點中的一個上。

GPS 三邊示意圖

如果第三個人告訴您現(xiàn)在位于距離亞利桑納州（Arizona）圖森市（Tucson）約990千米的地方，那么您就可以排除其中的一個位置，因為第三個圓只會與上面提到的兩個交點中的一個相交?，F(xiàn)在您可以確定自己的位置在科羅拉多州（Colorado）的丹佛（Denver）市了。

GPS 三邊示意圖

這一原理同樣適用于三維空間，但您要計算的是球面而不是平面的圓。下面，我們將了解這種三邊測量法。

本質(zhì)而言，三維三邊測量法不會比二維三邊測量法難太多，但需要較高的空間想象力。 試想一下，前面例子中的半徑突破平面的局限，開始向四面八方伸展。 于是您得到的是一系列的球面而非一系列的圓。

如果您距離太空中的A衛(wèi)星約16千米，您所處的位置就有可能是一個很大的面上的任何一點，設(shè)想一下這可是一個半徑約為16千米的球面。 如果您知道自己距離B衛(wèi)星約24千米，您就可以得到另一個很大的球面，并且與前一個球面相交。 兩個球面相交處形成一個正圓。 如果您還知道與第三顆衛(wèi)星的距離，就可以得到第三個球面，與上面的正圓相交于兩點。

地球本身就是第四個球面——所以兩個交點中只有一個位于地球的表面，而另一個位于太空的交點就可以排除掉了。 然而，接收機一般會尋找四顆或更多的衛(wèi)星，以提高精度并提供精確的海拔信息。

為了進行這個簡單的計算，GPS接收機必須知道下面兩個方面的數(shù)據(jù)：

• 您上方至少三顆衛(wèi)星的位置
• 您與這些衛(wèi)星之間的距離

GPS接收機通過分析GPS衛(wèi)星發(fā)出的高頻低功率無線電信號來計算這些數(shù)據(jù)。 較好的裝置通常有好幾個接收機，因此可以同時接收到來自多顆衛(wèi)星的信號。

無線電波是一種電磁能量，這意味著它們是以光速（真空中的速度約為每秒30萬公里）傳播的。 接收機根據(jù)信號到達的時長計算其傳播的距離。 下面，我們將了解接收機和衛(wèi)星如何協(xié)同進行這一測量。

我們了解到GPS接收機是通過計量信號在衛(wèi)星和接收機之間的往返時間來計算距離的。事實證明，這是一個相當精細的過程。

在某一時刻（假定是午夜），衛(wèi)星開始發(fā)送一長串稱為偽隨機碼的數(shù)字序列。 同樣，接收機也在午夜開始發(fā)出相同的數(shù)字序列。 當衛(wèi)星信號到達接收機時，數(shù)字序列的傳送會比接收機發(fā)出信號的時間稍稍滯后。

GPS衛(wèi)星 美國供圖

時間延遲的長度就是信號傳送的時間。接收機將這一時間乘以光速就可以計算出信號傳送的距離。假設(shè)信號是以直線傳送的，則這一結(jié)果即為接收機到衛(wèi)星的距離。

為了使這一測量法準確有效，接收機和衛(wèi)星都需要可以精確到納秒的同步時鐘。為了使衛(wèi)星定位系統(tǒng)使用同步時鐘，我們需要在所有衛(wèi)星以及接收機上都安裝原子鐘。但原子鐘的價格在5-10萬美元之間，對于普通消費者而言有點太貴了。

衛(wèi)星定位系統(tǒng)使用了一個巧妙而有效的方案解決了這一難題。每一顆衛(wèi)星上仍然使用昂貴的原子鐘，但接收機使用的是經(jīng)常需要調(diào)校的普通石英鐘。簡言之，接收機接收來自四顆或更多衛(wèi)星的信號并計算自身的誤差。換句話說，接收機使用的“當前時間”必須是值。正確的時間值的意義在于，使接收機收到的所有信號就好像都來自太空中的單一點。這一時間值是所有衛(wèi)星上原子鐘的統(tǒng)一時間。因此接收機就可以將自身的時鐘調(diào)整到這一時間值，進而使接收機的時間與所有衛(wèi)星上的原子鐘相同。GPS接收機就可以“免費”獲得原子鐘的精確度。

當測量到四顆定位衛(wèi)星到您所處位置的距離時，您就可以畫出相交于一點的四個球面。即使您的數(shù)字有誤差，三個球面仍然可能相交，但如果您的測量有誤，四個球面就不可能相交于一點。由于接收機利用自身內(nèi)置的時鐘來測量所有的距離，距離測量會呈現(xiàn)一定的比例誤差。

接收機可以輕易地計算出使四個球面相交于一點所進行的必要調(diào)整?；诖?，接收機需要重新設(shè)置自身的時鐘以便和衛(wèi)星原子鐘同步。接收機只要開啟就處在不斷的調(diào)整中，這也意味著接收機幾乎與衛(wèi)星中昂貴的原子鐘一樣精確。

要使用距離信息進行定位，接收機還必須知道衛(wèi)星的確切位置。這并不是特別難辦到的事，因為衛(wèi)星運行在很高的既定軌道上。GPS接收機儲存有星歷，其作用是告訴接收機每顆衛(wèi)星在各個時刻的位置。雖然一些外在因素，如月球和太陽的引力作用，會緩慢地改變衛(wèi)星運行的軌道，但美國會不斷監(jiān)控衛(wèi)星的精確位置，并把任何調(diào)整信息都作為衛(wèi)星信號的一部分傳送給所有的GPS接收機。

雖然這一系統(tǒng)工作性能不錯，但錯誤還是會不時發(fā)生。其中一個原因是，這一測量方式是建立在一種假設(shè)上的，即無線電信號會勻速（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傳播速度，特別是當電磁信號進入電離層和對流層時。延遲狀況因您在地球上所處地點的不同而不同，這意味著很難將這一因素準確地納入距離的計算中去。難題還在于無線電信號可能被大型物體反彈回去，例如摩天大樓，這將導(dǎo)致接收機計算出的與衛(wèi)星的距離比實際的要遠。最糟的情況是，有時衛(wèi)星會發(fā)送錯誤的星歷數(shù)據(jù)，誤報自己的位置。

差分GPS（DGPS）有助于糾正此類錯誤。其基本原理是用一個已知位置的固定接收機站來測算GPS的誤差。由于機站的DGPS硬件已經(jīng)知道它自己的位置，它可以很容易地計算出它覆蓋范圍內(nèi)的接收機的誤差。該機站會向所在區(qū)域內(nèi)所有裝配DGPS的接收機發(fā)送無線電信號，為這一區(qū)域提供信號糾正信息。一般而言，能獲得這些糾正信息使DGPS接收機比普通的接收機要精確得多。

GPS接收機最基本的功能就是接收來自至少四顆衛(wèi)星的信號，并且將這些信號中的信息與電子星歷的信息相結(jié)合以計算出接收機在地球上的位置。

一旦接收機計算完畢，它就可以告訴您它目前所處位置的經(jīng)度、緯度和海拔（或與之類似的測量信息）。為了使導(dǎo)航更加人性化，大多數(shù)接收機會把這些原始數(shù)據(jù)標注在存儲于內(nèi)存中的地圖文件上。

StreetPilot II，附帶駕駛員用的內(nèi)置地圖的GPS接收機 Garmin 佳明 供圖

您可以使用接收機內(nèi)存中存儲的地圖，也可以把接收機連接到一臺內(nèi)存中存有更多詳盡地圖的計算機，或者您直接買一張所在區(qū)域的詳細地圖，再根據(jù)接收機提供的經(jīng)度和緯度信息找到自己的位置。部分接收機可以讓您將詳細的地圖下載到內(nèi)存中，或通過插件式地圖存儲裝置提供詳細的地圖。

標準的GPS接收機不僅可以把您的確切位置標注在地圖上，也可以把您移動的路線顯示在地圖上。如果您讓接收機一直開著，它就會一直保持與GPS衛(wèi)星之間的通訊聯(lián)絡(luò)，這樣您就能看到您位置的變化情況了。有了這一信息和內(nèi)置的時鐘，接收機可以為您提供以下幾條有價值的信息：

• 您移動了多遠的距離（里程表）
• 您移動了多久
• 您當前的速度（速度計）
• 您的平均速度
• 虛線準確地顯示出您在地圖上到過的地方
• 如果您維持目前的速度，您到達目的地還需多少時間

信息標題：GPS接收機工作原理

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