全球定位系统 (GPS)

全球定位系统，通常称为 GPS，自第二次世界大战以来就具有非常重要的意义。

虽然最初的重点主要放在军事目标、车队管理和导航上，但随着无线电定位的优势扩展到（但不限于）追踪被盗车辆以及引导平民到最近的医院、加油站、酒店等等，商业用途开始变得相关。

GPS 系统由 24 颗轨道卫星网络组成，称为 NAVSTAR（具有时间和测距的导航系统），分布在六个不同的轨道路径中，每个轨道平面有四颗卫星，它们的信号覆盖了整个地球。

这些卫星的轨道周期为十二小时。

卫星信号可以在世界上任何地方、任何时间接收到。

卫星的间距经过安排，使得地球上每个位置至少可以看到五颗卫星。

第一颗 GPS 卫星于 1978 年 2 月发射。

每颗卫星的预期寿命约为 7.5 年，并且不断建造新的卫星并将其发射到轨道。

每颗卫星放置在约 10,900 海里的高度，重量约为 862 公斤。

包括太阳能电池板在内，卫星在太空中的伸展长度约为 5.2 米（17 英尺）。每颗卫星以三个频率传输信号。

GPS 基于众所周知的 三角测量技术。

假设 GPS 接收器 MS 位于一个假想球体上。假想球体的半径等于卫星“A”与地面接收器之间的距离（卫星“A”作为球体的中心）。

现在，GPS 接收器 MS 也是另一个假想球体上的一个点，第二个卫星“B”位于该球体的中心。我们可以说 GPS 接收器位于这两个球体相交形成的圆上的某个位置。

然后，通过测量来自第三颗卫星“C”的距离，接收器的位置缩小到圆上的两个点，其中一个是虚构的，并从计算中消除。因此，从三颗卫星测量的距离足以确定 GPS 接收器在地球上的位置。

全球定位系统 (GPS) 的历史

• 1957 年 - 苏联发射了人造卫星 Sputnik I。
• 1960 年代 - 美国海军使用卫星导航跟踪美国潜艇。
• 1978 年 - NAVSTAR Block I GPS 卫星发射。
• 1983 年 - 在大韩航空 007 号航班被击落后，美国宣布将开放 GPS 供民用。
• 1989 年 - Magellan 推出了 NAV 1000，第一款手持 GPS 设备。第一颗 Block II 卫星发射。
• 1993 年 - 24 颗卫星系统星座投入运行。
• 1995 年 - 宣布全面运行能力 (FOC)。
• 2000 年 - 美国政府停止选择性可用性。
• 2004 年 - Qualcomm 成功完成了在手机上进行实时辅助 GPS 的测试。
• 2008 年 - Block II 卫星发射。
• 2016 年 - GPS IIF 卫星发射。

GPS 的受益者

• 一开始，购买了 1000 多个便携式商业 GPS 接收器供军事使用。
• 它们由士兵携带，并连接到车辆、直升机和飞机仪表板上。
• GPS 接收器用于多架飞机，包括 B-2 轰炸机和 F-16 战斗机等。海军舰艇使用它们进行会合、扫雷和飞机操作。
• GPS 对于所有军事行动和武器系统都变得非常重要。此外，GPS 也使非军事行动受益。
• GPS 用于卫星上，以获得高度精确的轨道数据并控制航天器的方向。
• GPS 在陆地、海上和空中都有各种应用。
• GPS 可以在任何地方使用，除了室内和由于自然或人为障碍物而无法接收 GPS 信号的地方。
• 军用和商用飞机都使用 GPS 进行导航。商业渔民和划船者也使用它来辅助导航。
• 科学界利用 GPS 提供的精确计时能力进行研究。 GPS 使测量单位能够帮助测量员快速设置他们的测量地点。
• 汽车赛车手、徒步旅行者、猎人、山地自行车手和越野滑雪者也将 GPS 用于非商业用途。
• GPS 还有助于提供紧急道路救援，使事故受害者只需按一下按钮即可将其位置传输到最近的响应中心。
• GPS 也有助于挽救生命。许多警察、消防和紧急医疗服务部门正在使用 GPS 接收器来确定离紧急情况最近的警车、消防车或救护车的位置，从而在生死攸关的情况下实现最快的响应。
• 汽车制造商正在提供移动地图显示，由 GPS 接收器引导，作为新车辆的可选项。

GPS 的局限性

• 有几个因素会将误差引入 GPS 位置计算，并阻止我们获得最佳的精度。
• GPS 的一个主要误差来源是，无线电信号的速度仅在真空中是恒定的，这意味着距离测量可能会随着大气中信号速度值的变化而变化。
• 我们知道，大气由电离层和对流层组成。对流层的存在（主要由水蒸气组成）已知会导致由于温度和压力变化引起的误差，并且已知电离层中的粒子会导致显着的测量误差（就像坏的时钟一样！）。

影响 GPS 位置精度的因素如下