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什么是GPS，它是如何工作的？

GPS即全球定位系統，是一種導航系統，使用衛星、接收器和算法同步位置、速度和時間數據，用于海陸空定位。

該衛星系統是一個由24顆衛星組成的星座，位于6個以地球為中心的軌道平面上，每個軌道平面上有4顆衛星，在地球上空20000公里的軌道上以14000公里每小時的速度運行。

雖然我們只需要三顆衛星就能確定地球表面的位置，但第四顆衛星經常被用來驗證其他三顆衛星提供的信息是否準確；第四顆衛星也讓用戶進入了三維空間，可以計算設備的高度。

GPS的三個要素是什么？

GPS由三個部分組成，共同提供位置信息，分別為：

空間段——環繞地球運行的衛星，按地理位置和時間向用戶發送信號；

地面段——由地面監控站、主控制站和地面天線組成。控制活動包括跟蹤和操作空間衛星以及監測傳輸。世界上幾乎每個大洲都有監測站，包括北美、南美、非洲、歐洲、亞洲和澳大利亞；

用戶段——GPS接收器和發射器，包括手表，智能手機和遠程通訊設備。

GPS技術是如何工作的？

GPS使用一種叫做三邊定位的技術工作；這種技術用于計算位置、速度和高度，收集衛星信號輸出位置信息。

環繞地球運行的衛星發送信號，由位于地球表面或附近的GPS設備讀取和解讀。要計算位置，GPS設備必須能夠讀取來自至少四顆衛星的信號。

網絡中的每顆衛星每天環繞地球兩次，每顆衛星發送獨特的信號、軌道參數和時間。在任何給定的時刻，GPS設備都可以讀取至少6顆衛星的信號。

一顆衛星會發出微波信號，由GPS裝置接收，用以計算從GPS裝置到衛星的距離。由于GPS設備只提供與衛星的距離信息，一顆衛星不能提供太多的位置信息。衛星不會發出關于角度的信息，所以GPS設備的位置可能在球體表面的任何地方。

當第一顆衛星發送信號時，它會形成一個圓，其半徑由GPS設備測量到衛星。

再加一顆衛星，就會產生第二個圓，而位置就會縮小到兩個圓的交點之一。

有了第三顆衛星，設備的位置就可以最終確定，因為該設備位于所有三個圓的交點上。

也就是說，我們生活在一個三維世界里，這意味著每顆衛星產生的是一個球體，而不是一個圓。三個球體的交點產生兩個交點，因此選擇離地球最近的點。

下面是衛星測距的圖解：

當一個設備移動時，半徑（到衛星的距離）就會改變。當半徑改變時，產生了新的球體，給了我們一個新的位置。我們可以利用這些數據，結合衛星的時間，來確定速度，計算到目的地的距離和ETA（Estimated Time of Arrival， 即估計到達時間）。

GPS的用途是什么？

對于許多不同行業的企業和組織來說，GPS是一個強大可靠的工具。測量員、科學家、領航員、船長、急救人員以及采礦和農業工人，只是日常工作中使用GPS的一部分。他們使用GPS信息來完成精準調查和地圖繪制，進行精確的時間測量、位置定位或跟蹤，以及導航等。GPS在任何時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；

導航——確定從一個位置到另一個位置的路線；

跟蹤——監控對象或個人運動；

映射——創建世界地圖；

計時——使精確的時間測量成為可能。

GPS用例的一些具體例子包括：

應急響應

在發生緊急情況或自然災害時，第一反應人員使用GPS繪制地圖、跟蹤和預測天氣，并跟蹤應急人員。在歐盟和俄羅斯，eCall法規依靠GLONASS技術（一種GPS替代技術）和遠程信息技術，在發生車禍時將數據發送給緊急服務機構，縮短了響應時間；

娛樂

GPS可以整合到游戲和活動中，如Pokémon Go和Geocaching；

健康和健身

智能手表和可穿戴技術可以跟蹤健身活動（如跑步距離），并根據類似的人口統計數據進行基準測試；

建筑、采礦和越野卡車運輸

從定位設備到測量和改善資產配置，GPS使公司能夠提高資產回報率；

運輸

物流公司實施遠程信息系統，以提高司機的生產力和安全性；卡車跟蹤器可用于支持路線優化、燃油效率、司機安全及合規。

其他使用GPS的行業包括農業、自動駕駛汽車、銷售和服務、軍事、移動通信、安全和漁業等。

GPS有多精確？

GPS設備的準確性取決于許多變量，比如可用衛星的數量、電離層、城市環境等等。

影響GPS精度的因素包括：

物理障礙

到達時間的測量可能會被大山、建筑物、樹木等大的物體所扭曲；

大氣影響

電離層延遲、強風暴覆蓋和太陽風暴都會影響GPS設備；

星歷

衛星內部的軌道模型可能是錯誤的或過時的，盡管這變得越來越罕見；

數值計算錯誤

當設備硬件設計不符合規格時，這可能是一個因素；

人工干擾

包括GPS干擾設備或欺騙。

在沒有相鄰高層建筑的開放區域，準確度往往更高，這種效應被稱為城市峽谷。當一個設備被大型建筑包圍時，比如在曼哈頓市中心或多倫多，衛星信號首先被屏蔽，然后被建筑反射，最后被設備讀取，這可能會導致對衛星距離的錯誤計算。

GPS簡史

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行航海。GPS是20世紀由于太空時代的技術而取得的一項進步。

GPS技術在歷史上一直在全球范圍內使用。1957年俄羅斯斯普特尼克一號衛星的發射帶來了地理定位能力的可能性，不久之后，美國國防部開始使用它進行潛艇導航。

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

全球衛星導航系統（GNSS）

GPS被認為是全球導航衛星系統（GNSS），這意味著它是一個覆蓋全球的衛星導航系統。截至2021年，有三個全面運行的全球導航衛星系統：美國NAVSTAR GPS、俄羅斯的全球導航衛星系統（GLONASS）以及中國北斗衛星導航系統BDS。NAVSTAR GPS由美國擁有的32顆衛星組成，是最著名和應用最廣泛的衛星系統；俄羅斯的GLONASS由24顆運行衛星組成，剩下3顆作為備用衛星或正在測試中；中國北斗衛星導航系統由55顆運行衛星組成，與其它衛星定位系統最大的不同點在于它是一種雙向傳播的方式，除了單純地定位以外，還能發送定位。

其他國家也在競相追趕。例如，歐盟一直在研究伽利略系統；日本和印度也在各自的區域系統上進展順利，即準天頂衛星系統（QZSS）和印度區域導航衛星系統（IRNSS）。

GPS和GNSS設備

雖然GPS是GNSS的一個子集，但接收器被區分為GPS（僅指GPS）或GNSS。GPS接收器只能從GPS衛星網絡中的衛星讀取信息，而典型的GNSS設備可以同時從GPS、GLONASS和BDS接收信息。

一個GNSS接收器有60顆衛星可供觀測。雖然一個設備只需要三顆衛星就可以確定它的位置，但衛星數量越多，準確度就越高。下面的圖表顯示了可用衛星數量的一個例子（綠色顯示），以及它對GPS接收器的信號強度（柱高）。在這種情況下，有12顆衛星可用。

典型的gps測試板顯示12個衛星信號

GNSS設備可以看到更多的衛星，這有助于提高設備的精度。在下面的圖表中，有17顆可用的衛星；綠條是GPS的一部分，藍條是GLONASS的一部分。

典型的GNSS測試板顯示17個衛星信號

向接收器提供信息的衛星數量越多，GPS設備就能更精確地計算位置；當接收器計算出用戶的位置時，衛星越多，設備就越有可能得到定位。

盡管如此，GNSS接收機也有一些缺點：

GNSS芯片的成本高于GPS設備；

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

耗電量將略高于GPS接收器，因為它連接更多的衛星，并運行計算來確定位置。

GPS的未來

目前各國還在繼續建設同時改進其GPS系統，全世界都在努力提高精度，提高可靠性和GPS功能。

例如：

GNSS接收器預計將變得更小、更精確和更高效，而GNSS技術也將滲透到成本敏感的GPS應用中；

科學家和救援人員正在尋找新的方法，在發生地震、火山爆發、天坑或雪崩時，利用GPS技術進行自然災害預防和分析；對于COVID-19大流行，研究人員正在研究使用手機位置數據來協助追蹤接觸者，以減緩病毒的傳播；

新的GPS III衛星的發射將把GPS精度提高到1-3米，提高導航能力，預計最早在2023年推出更持久的組件；

下一代GPS衛星將包括更好的信號保護，降低對信號干擾的敏感性，以及在覆蓋死區方面更具可操作性；

美國國家航空航天局的深空原子鐘將使用一個強大的機載GPS衛星，以幫助未來宇航員進行深空旅行時提供更好的時間一致性。

可以預見，無論對于個人還是商業用途，未來的GPS追蹤將會更加精確和有效。

原文鏈接：

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

編輯：jq