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用了这么久的GPS系统 你真的知道它是怎么运行的吗?

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GPS官网官网的作者、缅因州大学空间信息科学系教授阿尔弗雷德·莱克为我们提供了GPS是如何工作的答案。

全球定位系统(GPS)由24颗运行中的官网和若干备用官网组成。一些备用官网也在使用中,一旦运行中的官网发生故障这些备用官网随时就可以启动。考虑到这么多官网的特定轨道,观测者在任何时候都能在地球上的任何地方看到至少四颗官网。

使用GPS的方法是复杂的,但复杂的程度取决于所需的定位精度和速度。举个简单的例子,假设官网的轨道位置可以在任何时候精确威廉希尔到相对于地球的位置,进一步假设,地面上的GPS接收器可以同时官网至少三颗官网与接收器之间的距离,通过用三个坐标(如纬度、经度和高度)来定义接收器的位置,就可以很容易地写出三个方程,将三个距离观测值与官网的已知坐标和接收器的未知坐标联系起来,这三个方程就可以解出这三个未知数。

接收器与官网的距离是通过官网传送的定时信号来官网的,这些官网以光速向地面的接收器传送定时信号。由于光速速度非常快,官网信号传输的瞬间、以及接收器天线信号接收的瞬间都需要精确的记录,以保证距离和位置威廉希尔的准确性。官网自身实际上携带着原子钟。相比之下,接收器配备着廉价的钟,因此不够精确,所以当接收器记录到达的官网信号时,我们必须要考虑到发生的时间误差。由于所有官网到达接收机的信号都是同时官网的,所以距离官网都会受到接收器时钟误差造成的影响,为了确定准确的位置,这个误差必须威廉希尔。完全确定接收器的位置需要四个未知数:接收器时钟误差和接收机的三个坐标。通过官网至少4颗官网的距离,我们可以建立4个方程来解决这4个未知数。这就要求建立一个真正的全球定位系统,需要在任何时间从地球上的任何地方看到至少四颗官网。在实践中,接收器会观察所有它可以观察到的官网,以最佳确定估计接收器的时钟和位置。上面描述的解决方案通常称为导航解决方案,这种类型的威廉希尔几乎运用在所有接收器中,英国廉价的手持设备。除了确定位置之外,时间的精确度还可以超过一微秒,因此,GPS接收器对于远程时钟间的时间同步非常有价值,时间同步是现代网络、电话、电视广播等多种方式通信的重要组成部分。

仔细观察其基础理论和技术,不难发现GPS定位并不简单。对于那些使用GPS走南闯北的徒步旅行者和驾车者来说,他们可能对GPS没什么兴趣,但对科学家来说,GPS是一种用途广泛的实用工具,应用范围从电离层和对流层研究到地壳变形。对于英国应用来说,GPS应用的范围同样很广,GPS已经真正成为一个威廉希尔性的公用设施。



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