GPS手表的工作原理

轨道上的GPS卫星。

照片由美国陆军提供

全球定位系统(GPS)它的起源可以追溯到太空飞行的诞生;在美国科学家们争相追踪的过程中，它背后的原理也凑到了一起人造卫星这颗卫星于1957年10月由苏联发射进入轨道。来自约翰霍普金斯大学应用物理实验室的研究人员，博士。William Guier和George Weiffenbach发现，他们可以根据多普勒效应追踪早期卫星的位置:移动中的卫星发送的信号在接近或离开接收站时似乎会发生扭曲。通过测量扭曲的性质和严重程度，人们可以计算卫星轨道的方向。

APL公司研究员弗兰克·麦克卢尔建议跟踪系统也可以反过来工作:通过跟踪与精确已知的卫星轨道和评估产生的多普勒频移信号,一个人在地面上任何地方可以确定他的位置,他可以拿起信号。美国海军将该系统扩展为海军导航卫星系统，到1964年，该系统将积极引导舰船。(更多关于GPS的历史，请看我们的文章GPS接收器的工作原理．)

军方资助的研究一直持续到20世纪70年代和80年代，当时科学家们试图提高卫星导航的信号精度、可靠性和速度。技术从跟踪多普勒转换为使用三角测量和信号定时:信号到达接收器的时间越长，信号发出时卫星离得越远。20世纪80年代，当美国政府开始允许广泛的平民使用这项技术时，GPS已经成为美国军方及其盟友的一个可靠的工具[来源:帕金森］．

早期的民用GPS设备又大又重，限制了它们对移动用户的用处。但它们还有一个更严重的缺点:它们不是那么准确。为了防止敌人获得导航信号，美国军方使用了抖动:故意干扰卫星的授时信号，导致未经授权的用户无法解码。这将民用GPS的精度限制在大约300英尺(100米)。直到2000年，美国政府才最终消除了这种犹豫，使精确的民用导航成为可能。对于任何需要知道自己在哪里、旅行多快或如何到达想去的地方的人来说，GPS都是一个有用的工具。帕金森；Navigon］．

这就解决了精确度的问题，但是GPS设备制造商是如何制造出便携尺寸的产品的呢?

这些从1999年开始使用的空军GPS装置看起来大约有6英寸(15厘米)长，在当时很轻，但与今天的微型GPS技术相距甚远。

国防部照片由美国空军技术军士Lance张拍摄

无抖动GPS技术的普及恰逢电子产品小型化的革命——想想看，现代少了多少笔记本电脑比你1996年用的还重。全球定位系统开发者采纳了诸如表面安装技术（SMT)，微型元件直接焊接到电路板上(而不是用导线连接)，以及机器人组装，帮助将GPS接收器中心的时间和信号处理芯片缩小为微型元件。今天，它们几乎太小了，不放大就看不清楚。普尔］．

研究人员通过应用进一步缩小了GPS设备分形几何——包括由重复的、可扩展的图案组成的形状——来设计可以折叠成极小空间的强大接收天线。这个重要的(曾经是笨重的)部件GPS接收器包装变得足够小，可以藏在智能手机的轻薄外壳中，或者藏在手表的内部。Mikkola］．

第一代GPS手表本质上是手持GPS设备的小版本，长约2至3英寸(约50至75毫米)，宽约1英寸(约25毫米)，配有腕带。即使他们确实是更小、更轻比大多数其他GPS的21世纪初,他们仍然足以使长距离奔跑——更不用说运动后跑到咖啡店你手臂上的东西,更多的麻烦比值得许多运动员[来源:Wollman］．

在这种微型化过程中，高尔夫等依赖于了解个人相对于目标的位置的运动很早就采用了GPS。例如，著名的高尔夫冠军和球场设计师Greg Norman在2002年成为高尔夫相关GPS产品生产商Inforetech的顾问[来源:GPS行业］．但总的来说，消费者开始大规模采用GPS手表采取了两个技术步骤。

GPS手表是为跑步者、高尔夫球手和其他喜欢轻量装备的运动爱好者设计的，它们的尺寸几乎(如果有的话)没有如今的时尚手表大。

极盛时期/思想库

为了变得真正有用(并因此成为市场)，GPS手表必须首先变得像手表一样。2010年左右，这一时刻终于到来了，到2012年，你可以买到与市场上任何其他时尚手表一样大小、形状和一般风格的GPS手表。有些型号，比如爱普生在2012年2月发布的13毫米(0.51英寸)厚的原型手表，实际上比许多非gps运动手表要小[来源:塔克］．

不过，小尺寸并不意味着功能少，这就是GPS手表真正成为有用的训练工具的地方。知道你在任何时候的确切位置是很好的，但是除非你在一个不知名的地方或者试图在一个未知的球道中选择一个球杆，应用是有限的。GPS手表制造商看到了这一点，并通过添加其他运动设备的功能，如自行车电脑、计步器和心率监测器，扩大了他们产品的多功能性。

许多GPS手表可以使用无线信号与其他设备同步，比如ANT+，一种小型节能系统。这些额外的设备通常用于测量生物识别技术:身体系统测量，如心率，运动员可以用它来衡量锻炼的强度。GPS手表还可以配备其他传感器，包括安装在鞋上的节奏监测器，它可以跟踪跑步者的步幅，以及安装在自行车上的传感器，它可以检测车轮的速度和骑者通过踏板施加的力。这些手表自带的电脑软件可以让用户下载一系列由手表无线或通过USB端口．通过在手表中输入身高、体重和年龄等基本信息，精通科技的运动员就可以拥有一个精确的、针对运动的工具，一个21世纪版本的运动员训练日记。

这种定位和生物识别数据的结合是GPS手表值得花钱的关键所在。但就像在许多科技设备场景中一样，人们很容易被可用的选项淹没。GPS手表的价格各不相同，但在2012年初，各种型号的价格从100美元到400多美元不等，这仍然是一笔不小的支出。如何根据自己的需要选择最合适的GPS手表?

如果你想在激流中航行，就不会买帆船。同理，在你花血汗钱买一块GPS手表之前，你也要确保它能满足你的预期需求。你是将手表用于一项运动，还是一项对各种活动都有用的运动?你是更关心把数据下载到电脑上并随时间追踪，还是更喜欢能在现场提供所需信息的设备?你去的地方迷路可能是危险的，还是你的活动让你保持在明确的道路和小径上?你对所有这些问题的回答将缩小你的手表选择范围。

以最后一个问题为例:如果你是一个狂热者徒步旅行者或者是喜欢在野外漫步的越野滑雪者，拥有一个带有移动地图显示的GPS手表肯定会很有帮助，它会显示出你所处的位置与其他路径点的关系。这款手表的代价在于尺寸:显示地图细节所需的更大显示屏意味着，如果你想在下一款手表中使用轻便圆滑的手表来跟踪分割，这款手表可能会太笨重马拉松【来源:Geek.com]。同样地，像滑雪运动员或山地自行车手这样的运动健将可能不想要带有触摸屏界面的手表，把光滑、没有按钮的外观换成即使意外被树枝砸到也不会重新校准的手表。另一方面，跑步者可能会发现触屏是快速检查数据的完美工具。

GPS手表制造商在他们的网站上列出了他们型号的功能，让你可以快速、简单地比较整个市场的功能和价格。不过，当你缩小搜索范围时，获得一个实时的视角是有帮助的。和当地自行车店、跑步店或徒步旅行店的人谈谈，不要害怕和朋友谈论他们的GPS手表。你会得到第一手的建议和现实生活中的评论，这会让你做好充分的准备，做出正确的购买，以补充你所选择的活动。

想知道GPS技术还有什么用途吗?看看这些视频，了解GPS在从鲨鱼追踪到武器制造等各个领域的应用。

发现

基础教育的好处全球定位系统(GPS)如果你的爱好是野外远足、海上皮划艇或狩猎等户外冒险活动，那么你的功能就很明确了;这些小电脑都是为你量身定做的，可以帮助你进入荒野，并在更小的迷路风险下返回。只要记得带上地图和指南针，并知道如何使用它们;冒险故事中充满了GPS电池在最糟糕的时刻耗尽的故事。

以运动和健身为导向的用户也可以使用寻路功能来尝试新的跑步路线或在旅行时进行训练。但这只是你用这个高科技培训工具所能做的皮毛。

GPS手表可以精确地测量你的表现，这曾经是研究人员和职业运动员的领域。知道你跑完半程马拉松花了多长时间是件好事，但GPS手表可以准确地告诉你，在13.1英里(21.1公里)的赛程中，你跑得最快和最慢的位置。有了这些设备上非常标准的数据下载功能，您可以对每次运行进行比较，以了解性能趋势。也许你会注意到，在跑完10英里后，你失去了太多的时间，或者你在同一条赛道上爬坡的速度不如去年快了。

一旦你在你的表现中发现了这些弱点，GPS手表的综合功能可以给你实时反馈，让你的训练更具体、更有效。例如，许多骑自行车的人在季前赛的第一部分时间里，通过长期稳定的努力来增强心血管力量。这有助于为今年晚些时候的短跑和山地训练打下基础。用可感知的努力来追踪“中等速度”——你在锻炼过程中的感受——充其量是一种可变的测量方法。不过，给自己配备一个GPS手表，它可以读取心率监控器、节奏传感器和轮速传感器的数据，你就可以微调你的每一英里骑行，将你的努力保持在一个精确的速度、心率和时间范围内。

这种特定训练的结果可能是戏剧性的。如果你时间紧迫，现在你就能充分利用锻炼的每一分钟了。这样你就不会花那么多时间担心运动、家庭和工作的平衡。当比赛日到来时，你就会确切地知道自己能有多努力，无论是在赛道上，小径上还是跑道上。这种技术将帮助你训练得更聪明，而不仅仅是更努力。