原標(biāo)題：GPS原理

GPS 是美國研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，它就像一個覆蓋全球的“定位大網(wǎng)”，能為地球上幾乎所有地方的用戶提供精準(zhǔn)的位置、速度和時間信息。無論是陸地上的車輛、海上的船只，還是空中的飛機(jī)，甚至是徒步旅行者，都能借助 GPS 確定自己的方位。

GPS 系統(tǒng)構(gòu)成

空間星座

• 衛(wèi)星布局：GPS 的空間星座由 24 顆工作衛(wèi)星和 3 顆備用衛(wèi)星組成。這些衛(wèi)星分布在 6 個軌道面上，每個軌道面有 4 顆衛(wèi)星。它們就像在太空中按照特定規(guī)則排列的“燈塔”，軌道高度約 20200 千米，軌道傾角為 55°。這樣的布局保證了全球任何地方、任何時間都能至少看到 4 顆衛(wèi)星，這是實現(xiàn)精準(zhǔn)定位的基礎(chǔ)。

• 衛(wèi)星作用：衛(wèi)星上配備了高精度的原子鐘，能產(chǎn)生極其準(zhǔn)確的時間信號。同時，衛(wèi)星會持續(xù)向地面發(fā)射包含自身位置和時間信息的無線電信號，這些信號是 GPS 定位的關(guān)鍵“線索”。

地面監(jiān)控

• 主控站：主控站是地面監(jiān)控系統(tǒng)的“大腦”，位于美國科羅拉多州的斯普林斯。它負(fù)責(zé)收集各個監(jiān)測站傳來的數(shù)據(jù)，通過復(fù)雜的計算得出衛(wèi)星的軌道參數(shù)、鐘差等信息，然后將這些信息編制成導(dǎo)航電文，再發(fā)送給注入站。

• 監(jiān)測站：全球有 5 個監(jiān)測站，它們就像分布在各地的“觀察哨”，對衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)跟蹤觀測。監(jiān)測站會采集氣象數(shù)據(jù)、衛(wèi)星信號的偽距和載波相位等信息，并實時將這些數(shù)據(jù)傳送給主控站，為主控站的計算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

• 注入站：注入站有 3 個，它們的作用是將主控站上傳的導(dǎo)航電文和其他控制指令“注入”到相應(yīng)的衛(wèi)星中，更新衛(wèi)星的星歷和時鐘參數(shù)，確保衛(wèi)星能夠準(zhǔn)確地向地面發(fā)射信號。

用戶設(shè)備

• 設(shè)備類型：用戶設(shè)備主要是 GPS 接收機(jī)，它有多種類型，以滿足不同用戶的需求。比如手持式接收機(jī)方便徒步旅行者攜帶；車載式接收機(jī)可以安裝在汽車上，為司機(jī)提供導(dǎo)航服務(wù)；船載式和機(jī)載式接收機(jī)則分別用于海上船只和空中飛機(jī)的定位。

• 設(shè)備功能：接收機(jī)能夠接收衛(wèi)星發(fā)射的信號，測量信號從衛(wèi)星到接收機(jī)的傳播時間。通過對多顆衛(wèi)星的信號傳播時間進(jìn)行測量，并結(jié)合衛(wèi)星的位置信息，接收機(jī)就能確定自身的三維位置、速度和時間。

GPS 定位原理

偽距測量

• 原理闡述：偽距是接收機(jī)測量得到的衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離，但這個距離并不是真實的幾何距離。因為衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘都可能存在誤差，而且信號在傳播過程中會受到電離層、對流層等因素的影響。接收機(jī)通過測量衛(wèi)星信號的發(fā)射時間和接收時間，再結(jié)合光速，就能估算出偽距。

• 類比理解：可以把偽距測量想象成在夜晚，你向遠(yuǎn)處的幾個路燈發(fā)射信號，然后記錄信號從發(fā)射到接收到路燈反射信號的時間。由于你的計時工具可能不準(zhǔn)確，而且信號在傳播過程中可能會受到空氣等因素的干擾，所以根據(jù)時間計算出來的距離只是一個近似值，這就是偽距。

定位計算

• 三維定位思路：要確定接收機(jī)在三維空間中的位置（經(jīng)度、緯度、高度），需要至少測量 4 顆衛(wèi)星的偽距。這是因為除了要確定三個空間坐標(biāo)外，還需要考慮接收機(jī)鐘差的影響。通過將測量得到的偽距與衛(wèi)星的位置信息相結(jié)合，接收機(jī)就可以像解開一個復(fù)雜的謎題一樣，計算出自己的準(zhǔn)確位置和接收機(jī)鐘差。

• 直觀解釋：就像在一個黑暗的房間里，你不知道自己的位置，但你知道房間里四個固定點的位置，并且能測量出自己到這四個點的距離（雖然這些距離可能因為測量工具的誤差而不完全準(zhǔn)確）。通過綜合考慮這些距離和固定點的位置，你就可以大致確定自己在房間里的位置。在 GPS 定位中，衛(wèi)星就是那些固定點，偽距就是測量得到的距離，接收機(jī)通過計算就能確定自己的位置。