全球定位系统 (GPS) 的优缺点

你的祖先依赖夜空来确定自己的位置。后来人们使用了托马斯指南。现代科技的进步使我们能够利用手机或其他导航设备来确定自己的位置。如今，只需一项神奇的技术，就可以获取行车路线，向迷路的朋友传达你的户外位置，或者跟踪你的锻炼距离。这种技术就叫做全球定位系统，通常简称为GPS。你可能已经熟悉GPS了，但在这一部分，我们将探讨它的工作原理、优点和缺点。

什么是GPS？

• 全球定位系统，或称GPS，最初是由军方发明的。
• 美国国防部（USDOD）于1978年为军事目的委托了第一批11颗Navstar GPS卫星。
• 然而，并非所有Navstar卫星都能到达预定轨道。因此，仍有许多工作要做。
• GPS于1995年在美**全运行，并于1996年首次应用于汽车。
• 直到2000年5月，最高质量的频率才仅用于军事行动。之后，它们便可以免费供公众使用。
• 美国空军现管理GPS。
• 为了获得任何地方的绝对精确度，许多现代接收器都依赖GPS和俄罗斯的GLONASS卫星。

什么是GPS？

• 一群卫星以超过20,000公里的高度，每11小时58分钟绕地球运行一周。
• 这些卫星不断地向地面发送信号，这些信号被你的手机或汽车中的GPS系统等设备收集，使我们能够知道你在世界的哪个位置。
• GPS几乎无处不在。
• 为了正常运行，GPS不需要手机信号或互联网连接。但当它们可用时，GPS的运行会更好。
• 现在你可以购买GPS鞋垫来追踪家庭成员或患有阿尔茨海默病的年长者。

导航系统类型

• 世界各国的外国势力都在使用各种类型的导航卫星系统。
• 然而，Navstar，一个美国系统，是最知名且最常用的系统。
• 尽管印度和中国的系统不是全球性的，因为它们位于其各自领土上方的地球同步轨道上，但也有类似的俄罗斯和欧洲系统。
• GPS卫星的定位方式是，你应该能够从地球表面的几乎任何地方直接看到至少四颗卫星。这一点很重要，因为利用GPS测定点定位计算三个位置坐标和时钟偏差需要至少四颗卫星。

它是如何工作的？

• GPS通过三边测量法工作。
• 简单来说，GPS的三个基本组成部分是卫星、地面站和接收器。
  • 我们祖先依赖的恒星和星座来确定他们的位置，就像今天的现代卫星一样。
  • 它们必须在预期的位置和时间出现。
  • 地面站利用雷达来确认卫星是否确实在其声称的位置。
  • 你的智能手机或汽车的接收器会监测卫星的脉冲，以计算它与你的距离。
  • 当它确定了你与四颗或更多GPS卫星的距离时，它就能以一英尺甚至更小的精度精确定位你的位置。
    
• GPS有32颗运行中的卫星在轨道上。
  • 24颗是基本卫星，其余的在其他卫星出现问题时充当备份。
  • 它们经常需要维修和持续维护。即便如此，它们的寿命也只有大约十年。
  • GPS不受天气影响。
  • 由于GPS使用三边测量系统，地面上的接收器必须识别至少四颗卫星才能精确定位其精确位置。
• 在地图上预测其经纬度坐标是二维和三维三边测量的含义。
  • 在三维三边测量中，你的图纸上会有球体而不是圆圈；否则，一切都一样。
  • 纬度、经度和海拔是三维位置的组成部分。
• 如果你知道你离卫星A有50英里，你可以假设你位于一个半径为50英里的假设半球内的某个地方。
  • 此外，你确定你离卫星B有20英里。
  • 两个球体的交集会形成一个圆。
  • 通过乘以第三颗卫星的距离的两倍来构建第二个球体，可以得到两个交点。
  • 让我们把地球本身当作第四个球体，因为你知道这两个潜在点中只有一个是你需要的，而且你在地面上。
  • 你使用的卫星越多，你位置的准确性就越高。
    
• GPS卫星以固定的间隔向GPS接收器广播其时间和位置信息。
• 传输用于向接收器传达数据。
• 接收器评估来自GPS卫星的无线电信号，以确定两件关键事情：
• 你与你上方区域至少三颗卫星的位置和距离。
• 无线电波以与光速相似的速度传播。
• 根据信号从轨道传播到地球所需的时间，接收器估算信号传播的距离。
• 然而，事情并不那么简单。
• GPS卫星使用的原子钟，以保证最高的时间精度，无法安装在每个接收器中。
• 它们的成本从50,000美元到10,000美元不等。这样一来，你的手机就会非常昂贵。
• 因此，接收器配有标准的石英钟，这些时钟会不断更新或调整，以提供最精确的时间。
• 它们之所以能够做到这一点，是因为卫星发送给它们的数据。
• 这里的问题是，根据爱因斯坦的广义相对论，远离引力影响的物体的时间流逝速度更快。
• 每天，卫星的原子钟会比地面时钟快38微秒。
• 如果科学家什么都不做，GPS位置每天会额外不准确6公里。
• 但是，这个问题可以解决，并且可以实现物体的精确放置，通过使用至少三到四颗卫星。
• 即使你选择了错误的数字，当我们使用三颗卫星和三个球体时，它们最终也会相交。当我们拥有四个球体时，我们不可能得到错误的测量结果。
• 有几种情况可能会影响GPS信号和精度。
  • 例如，在有很多高大建筑的地方，GPS信号会被反射的窗户阻挡，同时也会被密集的建筑物阻挡，这将降低GPS的精度。
  • 同样，当它们变得太多时，茂密的树木、发电站、蜂窝基站、电缆和电线杆等会阻碍GPS信号。

GPS的优点

• 因为GPS会告诉你每次转弯时需要走哪个方向才能到达目的地，所以它使导航变得非常简单。
• 使用GPS可以更快、更准确地完成测量，同时也能缩短整体完成时间。
• GPS还简化了手动测量，因为几乎没有出错的空间。
• GPS在所有天气条件下都能工作，所以你不必像使用其他导航设备那样担心天气。
• 这是船只的最佳导航系统，因为我们经常在大片水域中迷失方向，缺乏清晰的指示。
• 它还可以帮助我们找到附近的餐馆、酒店和加油站。
• 美国政府经常更新该系统，因此非常先进。
• 由于成本极低，它可以集成到其他技术中。
• 最后，与其他的导航设备相比，GPS非常经济实惠。

GPS的缺点

• 较高的资本支出；特定的硬件和软件要求；容易受到轨道和大气多径干扰的影响。
• 需要模糊度固定或连续锁定
• 这些当前的GPS技术有两个缺点：
  • 与传统的静态技术相比，它们更容易受到多径干扰的影响，这会在运动学和静态的跟踪变化中影响接收器信号。
  • 短期观测产生的信号更容易受到较差卫星几何形状的影响，而模糊度分辨率期间的多径风险尤其高，因为可能发生错误的模糊度。

GPS的应用

• GPS免费、开源且可靠的性质，催生了无数影响现代生活各个方面（Applications of GPS）的应用。
• 从手机、智能手表到推土机、集装箱和ATM机，现在都集成了GPS技术。
• GPS提高了农业、建筑、采矿和包裹递送等许多经济部门的生产力。

练习题

什么是GPS？

它们是一群卫星，每11小时58分钟绕地球运行一周，高度超过20,000公里。

有哪些不同的导航系统？

Navstar、GLONASS以及印度、中国和欧洲的系统。

GPS有哪些优点？

价格实惠，无错误，全天候运行，免费，开源，并且可靠。

GPS有哪些应用？

• 从手机、智能手表到推土机、集装箱和ATM机，现在都集成了GPS技术。
• GPS提高了农业、建筑、采矿和包裹递送等许多经济部门的生产力。