GPS是如何工作的呢？

GPS是一种基于卫星的导航系统。 它为位于地球表面或附近任何位置的GPS接收器提供基于时间和地点的信息。 只要能够保持与4颗或更多GPS卫星之间的通信线路畅通无阻，那么GPS在任何天气条件下都能正常工作。 GPS系统由美国空军负责管理。 GPS设备可以独立于用户的互联网连接或电话信号来运行。 不过，它们的存在确实提升了GPS定位的精确度。 GPS最初是由美国政府为军事目的而开发的。不过现在，任何拥有GPS接收器的人都可以接收到来自GPS卫星的无线电信号。注意：

• 最初，当GPS被开发出来用于军事目的时，有24颗GPS卫星以每12小时绕地球一圈的方式运行，这些卫星的轨道高度约为20,180公里。
• 在6个轨道中，每个轨道上都有4颗GPS卫星。这些卫星之间的夹角均为60度。这些轨道平面不会相对于任何恒星发生旋转。
• 后来，为了提升定位的精确度，卫星的数量增加到了32颗。
• 任何GPS接收器的定位都是通过飞行时间测量来完成的。
• GPS接收器能够看到的天线数量越多，其定位的精确度也就越高。

GPS是如何工作的呢？

在任何时刻，地球上方的接收器至少都能看到4颗GPS卫星。 这些GPS卫星中的每一个，都会在固定的时间间隔内，向GPS接收器发送关于自身位置以及当前时间的信息。 这些信息以信号的形式被传输给接收方，然后由接收设备来捕获这些信号。 这些信号属于无线电信号，其传播速度与光速相同。 GPS接收器与卫星之间的距离，可以通过计算信号从GPS卫星发送出去的时间与GPS接收器接收到该信号的时间之间的差值来得出。 当接收器接收到来自至少三颗卫星的信号后，它会利用三边测量法来确定自己的位置。 GPS至少需要三颗卫星来计算出二维位置（即地图上的纬度和经度）。 在这种情况下，GPS接收器认为自己的位置处于海平面高度。 不过，要确定接收器的三维位置（即纬度、经度和高度），至少需要4颗卫星。

什么是三边测量法？

三边测量是一种根据各个球体之间的交点来确定自身位置的方法。 当接收器接收到来自某颗卫星的信号时，它会根据三维空间中的球体模型来计算自己与这颗卫星之间的距离。在这个模型中，卫星被视作球体的中心位置。 一旦接收器对另外3颗GPS卫星也执行了相同的操作，那么接收器就可以找到这3个球体的交点，从而计算出该位置的坐标。一旦确定了接收器的位置，GPS设备就可以轻松地计算出该位置的信息了。

• 日出和日落的时间
• 速度
• 跟踪/追踪
• 到达目的地的距离

GPS接收器的组成部分。

GPS所面临的技术挑战：

• 单个卫星与GPS接收器之间的时间同步问题
• 实时更新GPS卫星的精确位置
• 对飞行时间进行精确测量
• 对其他信号的干扰

时间同步：

• 每颗GPS卫星都配备有原子钟，用于保持时间的准确性和同步性。为了能够获取精确的时间信息，接收器会利用第四颗GPS卫星来保持自身时间的准确性。由于接收器和GPS卫星的时间都是由原子钟来控制的，因此就可以计算出精确的时差。GPS卫星的同步操作是由地面站来负责进行的。

时间同步的超精密性的重要性：

• 电磁辐射以光速传播。位置的准确性与时间的测量精度成正比，因为速度×时间=距离。因此，即使时间计算出现微小的偏差，由于光速的巨大，也会导致距离的巨大差异。

实时更新卫星的精确位置。

• 这是通过从多个分布广泛的地面系统中监控这些卫星来完成的。
• 主站会分析所有的测量数据，并传送出每颗卫星的实际位置信息。

差分GPS[DGPS]

DGPS是一种对GPS的改进版本，它能够提供更高精度的位置信息。

• 这个被称为基站的GPS接收器必须被安置在位置已知的精确位置上。
• 基站接收器根据卫星信号来计算自己的位置，然后将其位置与已知的位置进行比较。
• 这两个位置之间的差异，体现在GPS接收器所记录的数据上。
• 能够提供精确到几厘米级别的位置信息。

DGPS利用一系列固定的地面站来传输由GPS卫星系统所指示的位置与已知固定位置之间的差值。这些地面站会广播出测量得到的卫星伪距离与实际伪距离之间的差值，而接收站则可以通过同样的数值来修正自己的伪距离。参考文献：

• Physics.org
• 维基百科