GPS基本工作原理

在这里我们探讨GPS背后的基本原理,但是并不会涉及很深的技术细节。

什么是GPS

GPS是Global Positioning System的简写,即全球定位系统。它是由24个卫星和地面控制台组成的无线电波定位系统。(地面控制台是用来监控卫星的:检测卫星的健康状态和在太空中的位置,并调整卫星时间。一共有5个地面监控站,分别位于:夏威夷,阿森松岛,亚哥加西亚岛,夸贾林环礁,,科罗拉多斯普林斯。)

GPS使用这些人造卫星来计算位置,误差范围为几米。事实上,使用高级的GPS技术可以把误差减小到厘米级别。

它就像把地球上的每一平方米都给分配了一个独一无二的地址。

GPS接收器可以做到硬币大小,并且很便宜,任何人都可以使用这项技术。GPS广泛应用在汽车、船、飞机、手机、农业设施等。

GPS是怎么工作的

GPS工作的5个逻辑步骤:

  • GPS是基于卫星的“三角定位法”。
    这里使用“三角定位”是为了大多数人容易理解。其实它并不是“三角定位”,因为这里没有涉及角度。它实际使用的是三边测量法。三边测量是使用几何三角形,判断一个对象的相对位置。
  • 为了使用三边测量,GPS接收器使用无线电波的传输时间来测量距离(距离=光速*时间)。
  • 为了测量时间,GPS需要非常精确的计时,因为无线电波的传播速度就是光速。
  • 知道距离了,还需要知道卫星在太空中的准确位置,秘密是使用高轨道,和精确的监控卫星。
  • 最后,必须纠正无线信号在穿过大气层的延迟。

高速运行的卫星还需要考虑相对论对时间的影响,实际上,卫星上有专门的程序用来调整相对论对时间的影响。如果没有这段程序,一天之内,误差就能达到几千米。总之,GPS对时间要求非常精确。

我们后面会对每个步骤进行讲解。

三角定位

GPS的背后原理就是用卫星在太空中的位置作为基础计算出一个点在地球上的位置。这需要非常精确的测量三个卫星分别到地球上某一点的距离。先不考虑怎么测量距离,首先,我们要明白怎么通过到三个卫星的距离在太空中确定某一点(或两点)。

几何原理:

  1. 假设测量第一个卫星和我们的距离为110,000米。我们知道这会把可能的点限制在一个球面上(半径11,000米)。
  2. 假设测量第二个卫星和我们的距离为120,000米。这告诉我们可能的点不止在一个球面上,还在另一个球面上,也就是说,可能的点在两个球面相交的点上,也就是一个圆。
  3. 假设测量第三个卫星和我们的距离为130,000米。同理,可能的点在圆和第三个球面相交的地方,最终找到2个点。

通过到三个卫星的距离,我们把范围缩小到了2个点。

为了在两个点中确定我们的距离,可以测量第四颗卫星到我们的距离,把范围缩小到一个点。但是通常来说,这两个点其中有一个点非常荒谬(离地球太远,或在地球内部),可以直接排除。

测量距离

上面我们通过假设距离已知,来解释三角定位。在这一节我们解释距离是怎么算的。

总的来说,就是一个简单的初中(或小学)数学问题:已知时间和速度,求距离(已知一辆车以每小时60公里的速度行驶了2个小时,求行驶距离)。

由于我们测量的是光速(约300000000米/每秒):

  • 计时困难
  • 需要精确的时钟来计时
  • 一个卫星在正上方travel时间大约为0.06秒
  • 时间间隔等于GPS接收器接收信号时间减去卫星发射信号时间。

由于时间间隔非常非常的短。所以需要一个精确的计时装置。

下面,我来使用一个愚蠢的类比来解释:

假设有一种方法可以在卫星和GPS接收器上播放音乐(就播放《江南Style》吧),让它们同时在正午12点播放。如果声音可以从太空传到我们这里(GPS接收器旁边),我们会听到两个不同版本的Style,一个来自卫星,一个来自接收器。

这两个版本不会同步,来自卫星的Style会延迟。

如果我们想要知道卫星延迟了多少,我们只要延时GPS接收器上的音乐,使两个版本完全同步。在GPS接收器延时的时间就是传输时间间隔,只需要用时间间隔*光速,bang,到卫星的距离就算出来了。

和上面不同的是卫星和GPS接收器使用伪随机代码,也许它比江南Style更带感。

伪随机代码(PRC):是GPS的基本组成部分。实际上,它是非常复杂的数字代码,或者说是一串“开”和“关”的脉冲序列。就是用这种脉冲序列来计算出时间间隔的。

GPS信号组成:Carrier、Pseudo-Random code、Navigation Message、Encrypted GPS。

怎么获得精确计时

测量无线电波的传输时间是GPS的key,我们的表要非常的好。如果偏差千分之一秒,GPS也不能在实际应用,在光速下,千分之一秒的误差:300000000*0.001米。

原子时钟

原子时钟不是使用原子能。它获得这个名字是因为它使用特定原子的波动作为节拍。原子钟是目前人类发明的最稳定为精确的时钟。

卫星上可以使用原子钟,那么GPS接收器呢?

GPS需要卫星和接收器都非常精确,才能让伪随机代码正常工作。

如果我们的GPS接收器需要原子钟(大概几十万到几百万一个),那GPS就太逊了。谁还能买得起。幸运的是,GPS的设计者想到一个绝顶聪明的小技巧,这个小技巧把每一个GPS接收器都变成了一个原子钟。

使用GPS卫星计时

我们通常认为GPS是一个导航和定位的系统,其实每一个GPS接收器都可以精确的表示时间。

GPS精确计时的秘密在于,加入另外一颗卫星测量。如果三个卫星可以在空间中定位一个点,那么使用四个卫星就可以精确计时。你可以想一想GPS是怎么用4颗卫星实现精确计时的(帮助:如果GPS接收器时间很精确,所有卫星将定位一个点。但是如果第4个卫星时间有偏差,第四个卫星定位的范围和前面三个卫星定位范围不相交)。

获得卫星的位置

GPS蓝图

  • 第24颗卫星block II在1994年3月进入太空,完成GPS卫星部署。
  • 还有4个备用卫星。
  • 太空中的GPS卫星经过了特殊安排,在地球上的任一点最少有5颗可见卫星。
  • 地面所有的GPS接收器都有历书程序,告诉它天空中的卫星在哪。
  • 卫星基本的轨道是确定的,但是为了确保正常,美国国防部在持续监控。他们使用雷达检测每一个卫星的海拔高度、位置、和速度。
  • 他们也在检测误差,主要是由月亮、太阳的引力和辐射压力引起。

还有很多很简单的概念,这些简单的概念可以极大的增加GPS的精度。

未完待续

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