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什么是GPS，它是如何工作的？

GPS即全球定位系统，是一种导航系统，使用卫星、接收器和算法同步位置、速度和时间数据，用于海陆空定位。

该卫星系统是一个由24颗卫星组成的星座，位于6个以地球为中心的轨道平面上，每个轨道平面上有4颗卫星，在地球上空20000公里的轨道上以14000公里每小时的速度运行。

虽然我们只需要三颗卫星就能确定地球表面的位置，但第四颗卫星经常被用来验证其他三颗卫星提供的信息是否准确；第四颗卫星也让用户进入了三维空间，可以计算设备的高度。

GPS的三个要素是什么？

GPS由三个部分组成，共同提供位置信息，分别为：

空间段——环绕地球运行的卫星，按地理位置和时间向用户发送信号；

地面段——由地面监控站、主控制站和地面天线组成。控制活动包括跟踪和操作空间卫星以及监测传输。世界上几乎每个大洲都有监测站，包括北美、南美、非洲、欧洲、亚洲和澳大利亚；

用户段——GPS接收器和发射器，包括手表，智能手机和远程通讯设备。

GPS技术是如何工作的？

GPS使用一种叫做三边定位的技术工作；这种技术用于计算位置、速度和高度，收集卫星信号输出位置信息。

环绕地球运行的卫星发送信号，由位于地球表面或附近的GPS设备读取和解读。要计算位置，GPS设备必须能够读取来自至少四颗卫星的信号。

网络中的每颗卫星每天环绕地球两次，每颗卫星发送独特的信号、轨道参数和时间。在任何给定的时刻，GPS设备都可以读取至少6颗卫星的信号。

一颗卫星会发出微波信号，由GPS装置接收，用以计算从GPS装置到卫星的距离。由于GPS设备只提供与卫星的距离信息，一颗卫星不能提供太多的位置信息。卫星不会发出关于角度的信息，所以GPS设备的位置可能在球体表面的任何地方。

当第一颗卫星发送信号时，它会形成一个圆，其半径由GPS设备测量到卫星。

再加一颗卫星，就会产生第二个圆，而位置就会缩小到两个圆的交点之一。

有了第三颗卫星，设备的位置就可以最终确定，因为该设备位于所有三个圆的交点上。

也就是说，我们生活在一个三维世界里，这意味着每颗卫星产生的是一个球体，而不是一个圆。三个球体的交点产生两个交点，因此选择离地球最近的点。

下面是卫星测距的图解：

当一个设备移动时，半径（到卫星的距离）就会改变。当半径改变时，产生了新的球体，给了我们一个新的位置。我们可以利用这些数据，结合卫星的时间，来确定速度，计算到目的地的距离和ETA（Estimated Time of Arrival， 即估计到达时间）。

GPS的用途是什么？

对于许多不同行业的企业和组织来说，GPS是一个强大可靠的工具。测量员、科学家、领航员、船长、急救人员以及采矿和农业工人，只是日常工作中使用GPS的一部分。他们使用GPS信息来完成精准调查和地图绘制，进行精确的时间测量、位置定位或跟踪，以及导航等。GPS在任何时间和几乎所有天气条件下都能工作。

GPS主要有五种用途：

定位——确定位置；

导航——确定从一个位置到另一个位置的路线；

跟踪——监控对象或个人运动；

映射——创建世界地图；

计时——使精确的时间测量成为可能。

GPS用例的一些具体例子包括：

应急响应

在发生紧急情况或自然灾害时，第一反应人员使用GPS绘制地图、跟踪和预测天气，并跟踪应急人员。在欧盟和俄罗斯，eCall法规依靠GLONASS技术（一种GPS替代技术）和远程信息技术，在发生车祸时将数据发送给紧急服务机构，缩短了响应时间；

娱乐

GPS可以整合到游戏和活动中，如Pokémon Go和Geocaching；

健康和健身

智能手表和可穿戴技术可以跟踪健身活动（如跑步距离），并根据类似的人口统计数据进行基准测试；

建筑、采矿和越野卡车运输

从定位设备到测量和改善资产配置，GPS使公司能够提高资产回报率；

运输

物流公司实施远程信息系统，以提高司机的生产力和安全性；卡车跟踪器可用于支持路线优化、燃油效率、司机安全及合规。

其他使用GPS的行业包括农业、自动驾驶汽车、销售和服务、军事、移动通信、安全和渔业等。

GPS有多精确？

GPS设备的准确性取决于许多变量，比如可用卫星的数量、电离层、城市环境等等。

影响GPS精度的因素包括：

物理障碍

到达时间的测量可能会被大山、建筑物、树木等大的物体所扭曲；

大气影响

电离层延迟、强风暴覆盖和太阳风暴都会影响GPS设备；

星历

卫星内部的轨道模型可能是错误的或过时的，尽管这变得越来越罕见；

数值计算错误

当设备硬件设计不符合规格时，这可能是一个因素；

人工干扰

包括GPS干扰设备或欺骗。

在没有相邻高层建筑的开放区域，准确度往往更高，这种效应被称为城市峡谷。当一个设备被大型建筑包围时，比如在曼哈顿市中心或多伦多，卫星信号首先被屏蔽，然后被建筑反射，最后被设备读取，这可能会导致对卫星距离的错误计算。

GPS简史

几千年来，人类一直在利用太阳、月亮、星星以及后来的六分仪来进行航海。GPS是20世纪由于太空时代的技术而取得的一项进步。

GPS技术在历史上一直在全球范围内使用。1957年俄罗斯斯普特尼克一号卫星的发射带来了地理定位能力的可能性，不久之后，美国国防部开始使用它进行潜艇导航。

1983年，美国政府公开了GPS，但仍然控制着可用的数据；直到2000年，公司和普通公众才完全获得了GPS的使用权，最终为更广泛的GPS发展铺平了道路。

全球卫星导航系统（GNSS）

GPS被认为是全球导航卫星系统（GNSS），这意味着它是一个覆盖全球的卫星导航系统。截至2021年，有三个全面运行的全球导航卫星系统：美国NAVSTAR GPS、俄罗斯的全球导航卫星系统（GLONASS）以及中国北斗卫星导航系统BDS。NAVSTAR GPS由美国拥有的32颗卫星组成，是最著名和应用最广泛的卫星系统；俄罗斯的GLONASS由24颗运行卫星组成，剩下3颗作为备用卫星或正在测试中；中国北斗卫星导航系统由55颗运行卫星组成，与其它卫星定位系统最大的不同点在于它是一种双向传播的方式，除了单纯地定位以外，还能发送定位。

其他国家也在竞相追赶。例如，欧盟一直在研究伽利略系统；日本和印度也在各自的区域系统上进展顺利，即准天顶卫星系统（QZSS）和印度区域导航卫星系统（IRNSS）。

GPS和GNSS设备

虽然GPS是GNSS的一个子集，但接收器被区分为GPS（仅指GPS）或GNSS。GPS接收器只能从GPS卫星网络中的卫星读取信息，而典型的GNSS设备可以同时从GPS、GLONASS和BDS接收信息。

一个GNSS接收器有60颗卫星可供观测。虽然一个设备只需要三颗卫星就可以确定它的位置，但卫星数量越多，准确度就越高。下面的图表显示了可用卫星数量的一个例子（绿色显示），以及它对GPS接收器的信号强度（柱高）。在这种情况下，有12颗卫星可用。

典型的gps测试板显示12个卫星信号

GNSS设备可以看到更多的卫星，这有助于提高设备的精度。在下面的图表中，有17颗可用的卫星；绿条是GPS的一部分，蓝条是GLONASS的一部分。

典型的GNSS测试板显示17个卫星信号

向接收器提供信息的卫星数量越多，GPS设备就能更精确地计算位置；当接收器计算出用户的位置时，卫星越多，设备就越有可能得到定位。

尽管如此，GNSS接收机也有一些缺点：

GNSS芯片的成本高于GPS设备；

GNSS比GPS （1559-1591 MHz）使用更宽的带宽（1559-1610 MHz），这意味着标准的GPS射频组件，如天线、滤波器和放大器，不能用于GNSS接收机，导致成本更高；

耗电量将略高于GPS接收器，因为它连接更多的卫星，并运行计算来确定位置。

GPS的未来

目前各国还在继续建设同时改进其GPS系统，全世界都在努力提高精度，提高可靠性和GPS功能。

例如：

GNSS接收器预计将变得更小、更精确和更高效，而GNSS技术也将渗透到成本敏感的GPS应用中；

科学家和救援人员正在寻找新的方法，在发生地震、火山爆发、天坑或雪崩时，利用GPS技术进行自然灾害预防和分析；对于COVID-19大流行，研究人员正在研究使用手机位置数据来协助追踪接触者，以减缓病毒的传播；

新的GPS III卫星的发射将把GPS精度提高到1-3米，提高导航能力，预计最早在2023年推出更持久的组件；

下一代GPS卫星将包括更好的信号保护，降低对信号干扰的敏感性，以及在覆盖死区方面更具可操作性；

美国国家航空航天局的深空原子钟将使用一个强大的机载GPS卫星，以帮助未来宇航员进行深空旅行时提供更好的时间一致性。

可以预见，无论对于个人还是商业用途，未来的GPS追踪将会更加精确和有效。

原文链接：

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

编辑：jq