GPS的定位奧秘

馮 迪 韋恩

當(dāng)你打開(kāi)手機(jī)尋找附近的四星好評(píng)以上的餐廳或者用手機(jī)系統(tǒng)自帶的地圖搜索一個(gè)陌生的地點(diǎn)時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)提示——是否要打開(kāi)手機(jī)的GPS定位功能。這項(xiàng)功能使手機(jī)直接與天上的衛(wèi)星聯(lián)絡(luò)。在確認(rèn)打開(kāi)這項(xiàng)功能后，搜索開(kāi)始了……

GPS是全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)Global Positioning System的簡(jiǎn)稱(chēng)。GPS實(shí)際上是一個(gè)衛(wèi)星群，由27顆在地球軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星（24顆為工作衛(wèi)星，另外3顆為備用衛(wèi)星）組成，它向全球各地全天候地提供三維位置、三維速度等信息。GPS最初的設(shè)計(jì)是出于軍用導(dǎo)航和收集情報(bào)等軍事目的，但很快這一系統(tǒng)就開(kāi)始提供民用服務(wù)，比如汽車(chē)導(dǎo)航、智能手機(jī)定位等。

GPS是怎么定位的呢？為了能快速理解GPS的定位，我們先從二維平面的測(cè)量法說(shuō)起。

請(qǐng)問(wèn)我在哪兒

設(shè)想一下，現(xiàn)在你正身處異地A，人生地不熟，完全迷路了。于是你找到了一位友善的當(dāng)?shù)厝藛?wèn)道：“請(qǐng)問(wèn)我在哪兒??？”他回答說(shuō)：“這里是距離B大約1000米的地方。”雖然數(shù)字看起來(lái)很精確，但是到B的距離為1000米的地方多得是啊。

于是你又問(wèn)了另一個(gè)人，他回答道：“這里是距離C大約2000米的地方。”現(xiàn)在你知道A是以1000米為半徑的圓B與以2000米為半徑的圓C的兩個(gè)交點(diǎn)中的一個(gè)，但具體是哪一個(gè)，你還是判斷不出來(lái)。

你還得再問(wèn)一個(gè)人，他回答道：“這里是距離D大約500米的地方?！边@樣你就能確定自己是兩個(gè)交點(diǎn)中的哪一個(gè)了，因?yàn)榈谌齻€(gè)地方的范圍只會(huì)與這兩個(gè)交點(diǎn)中的一個(gè)重合。

請(qǐng)問(wèn)衛(wèi)星，我在哪兒

我們把這種通過(guò)問(wèn)路判斷位置的方法叫作“距離交會(huì)法”?，F(xiàn)在我們不是問(wèn)幾個(gè)人，而是讓手上的GPS接收器“問(wèn)”我們頭上的幾顆衛(wèi)星，來(lái)確定我們所處的位置。

GPS的24顆工作衛(wèi)星按照特別設(shè)定的軌道，繞著地球運(yùn)轉(zhuǎn)，任何時(shí)候、任意地方至少有4顆衛(wèi)星在我們頭頂上。而GPS的任務(wù)就是確定這4顆衛(wèi)星的位置和各自到我們位置的距離，推算出我們所在的位置。

想象一下，我們位于地球的某一點(diǎn)A，而天上有3顆衛(wèi)星，分別是B、C、D。

B、C、D這3個(gè)點(diǎn)的位置是已知的，下面來(lái)求A點(diǎn)的位置。如圖所示。

當(dāng)你站在A點(diǎn)，知道與B之間的距離為R1，而與B的距離為R1的地方是以B點(diǎn)為球心、半徑為R1的一個(gè)球面，你所在的A點(diǎn)就是該球面的某一點(diǎn)。然后，你知道你與C的距離為R2，與C的距離為R2的地方是以C點(diǎn)為球心、半徑為R2的一個(gè)球面。這兩個(gè)球面是相交的，相交的地方形成一個(gè)圓（想象一下，兩個(gè)泡泡相交所出現(xiàn)的一個(gè)圓），而你所在的A點(diǎn)可以是這個(gè)圓上的任意一點(diǎn)，這時(shí)你還是不知道自己在哪個(gè)地方。接著你又知道了自己與D的距離為R3，這樣就又產(chǎn)生了以D點(diǎn)為球心、半徑為R3的一個(gè)球面，這個(gè)球面和上述的圓相交于兩點(diǎn)，其中的一點(diǎn)就是A，另一點(diǎn)是A1。

你究竟是在A還是在A1呢？這兩點(diǎn)中的一個(gè)點(diǎn)必定是地球上的某個(gè)位置，而另一個(gè)點(diǎn)必定是在太空中。你不可能在空中，那么你的位置就確定了。

理解了空間交會(huì)定位的原理之后，我們就可以看看GPS是怎么工作的。

當(dāng)你打開(kāi)GPS接收器來(lái)確定位置時(shí)，天上的衛(wèi)星會(huì)對(duì)GPS接收器發(fā)出一長(zhǎng)串信號(hào)，這串信號(hào)包含很多信息，其中最重要的是星歷數(shù)據(jù)。星歷數(shù)據(jù)主要記載了衛(wèi)星在某一時(shí)刻的位置、速度等各項(xiàng)參數(shù)，能告訴GPS接收器是哪顆衛(wèi)星、在什么位置。

那么A點(diǎn)距離各顆衛(wèi)星有多遠(yuǎn)呢？這時(shí)你需要一個(gè)公式：距離=速度×?xí)r間。一定不要忘記，這可是關(guān)鍵公式！

距離等于速度乘時(shí)間

在這個(gè)公式中，速度就是無(wú)線電波傳播的速度——30萬(wàn)千米/秒。

時(shí)間呢？

我們?cè)賮?lái)看看衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)，里面還包括了一串ID代碼，叫作偽隨機(jī)碼。在生產(chǎn)GPS接收器時(shí)，人們會(huì)把每顆衛(wèi)星的偽隨機(jī)碼輸入到GPS接收器里。那么，這兩套相同的代碼就可以進(jìn)行時(shí)間差的比較了。

假定1時(shí)整衛(wèi)星發(fā)出一串偽隨機(jī)碼，1時(shí)零8秒GPS接收器收到這串代碼，GPS接收器將這串代碼跟自己存有的偽隨機(jī)碼進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)這串代碼的形狀對(duì)應(yīng)的是1時(shí)整的形狀，那么GPS接收器就知道這串代碼在空中傳輸了8秒鐘。

這時(shí)，也許你會(huì)問(wèn)：“衛(wèi)星的代碼和GPS接收器的代碼在任何時(shí)刻都是完全一致的嗎？”是的！因此，這里還有一個(gè)要求，GPS接收器上的時(shí)鐘和衛(wèi)星上的時(shí)鐘應(yīng)該是完全一致的。

衛(wèi)星上裝置的原子鐘是十分準(zhǔn)確的，而且經(jīng)常由監(jiān)測(cè)站進(jìn)行校準(zhǔn)；而GPS接收器用的是普通的石英鐘，所以使用時(shí)需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行校正。衛(wèi)星發(fā)送導(dǎo)航信息的同時(shí)，也發(fā)送時(shí)間校正信息。一般說(shuō)來(lái)，我們還需要第4顆衛(wèi)星來(lái)傳送校準(zhǔn)時(shí)間的信息。

你還記得這個(gè)公式嗎？距離=速度×?xí)r間。速度知道了，時(shí)間也知道了，一相乘就可以得到距離。

這時(shí)，我們已經(jīng)知道了幾顆衛(wèi)星相對(duì)于地球的位置，還有我們與各顆衛(wèi)星的距離，再利用空間距離交會(huì)法進(jìn)行計(jì)算，就得到我們所處的位置了。

你找到你所處的位置了嗎？