GPS接收器的工作原理

想象一下你在美国的某个地方，你完全迷路了——不管什么原因，你完全不知道自己在哪里。你找到一个友好的当地人，问:“我这是在哪里?”他说"你离爱达荷州的博伊西有625英里"

这是一个很好的事实，但它本身并不是特别有用。你可以在半径为625英里的博伊西圆周上的任何地方，就像这样:

你问别人你在哪里，她说，“你离明尼苏达州明尼阿波利斯690英里。”现在你有所进展了。如果你把这个信息和博伊西的信息结合起来，你就有两个相交的圆。现在你知道你一定在这两个交点中的一个，如果你离博伊西有625英里，离明尼阿波利斯有690英里。

如果第三个人告诉你，你离亚利桑那州图森市615英里，你可以排除一种可能性，因为第三个圆只会与其中一个点相交。你现在知道你在哪里了科罗拉多州丹佛市．

同样的概念也适用于三维空间，但你要处理的是球体而不是圆形。在下一节中，我们将研究这种三边变换。

从根本上说，三维三边测量和二维三边测量并没有太大的不同，但是要把它形象化有点困难。假设前面例子中的半径向各个方向延伸。所以不是一系列的圆，而是一系列的球体。

如果你知道你距离天空中的卫星A有10英里，那么你可能在一个半径为10英里的想象球体表面的任何地方。如果你也知道你离卫星B有15英里，你可以将第一个球体与另一个更大的球体重叠。这些球体相交成一个完美的圆。如果你知道到第三颗卫星的距离，就会得到第三个球面，它与这个圆相交两点。

地球本身可以充当第四个球体——两个可能的点中只有一个在地球表面，所以你可以消除太空中的那个点。然而，接收器通常会观察四颗或更多的卫星，以提高精度并提供精确的高度信息。

为了进行这个简单的计算，GPS接收器必须知道两件事:

GPS接收器通过分析高频、低功耗的数据来判断这两种情况无线电信号来自GPS卫星。更好的单位有多个接收器，所以他们可以同时接收来自几个卫星的信号。

无线电波是电磁能量，这意味着它们以光速传播(大约每秒18.6万英里，在真空中每秒30万公里)。接收器可以通过计时信号到达所花的时间来算出信号传播了多远。在下一节中，我们将看到接收器和卫星如何一起工作来进行测量。

在前一页，我们看到GPS接收器通过计时信号从卫星到接收器的旅程来计算到GPS卫星的距离。事实证明，这是一个相当复杂的过程。

在一个特定的时间(比方说午夜)，卫星开始发射一种长数字模式，称为伪随机码．接收器也在午夜开始运行相同的数字模式。当卫星信号到达接收器时，其模式的传输将会比接收器播放模式稍微滞后一点。

延迟的长度等于信号的传播时间。接收器将这个时间乘以光速来确定信号传播的距离。假设信号沿直线传播，这是接收机到卫星的距离。

为了进行测量，接收器和卫星都需要时钟，时钟可以同步到纳秒。要制作一个只使用同步时钟的卫星定位系统，你需要原子钟不仅在所有的卫星上，而且在接收器上。但是原子钟的价格在5万美元到10万美元之间，这使得它们对于日常消费来说有点太贵了。

全球定位系统对这个问题有一个聪明而有效的解决方案。每个卫星都有一个昂贵的原子钟，但接收器本身使用普通的原子钟石英钟，它会不断重置。简而言之，接收器观察来自四个或更多卫星的接收信号，并测量自身的误差。换句话说，接收方只能使用“当前时间”的一个值。正确的时间值将导致接收机接收到的所有信号在空间中的一个点上对齐。这个时间值就是所有卫星上的原子钟所持有的时间值。所以接收器将它的时钟设置为那个时间值，然后它就有了和所有卫星上的原子钟相同的时间值。GPS接收器“免费”获得原子钟精度。

当你测量到四个定位卫星的距离时，你可以画出四个在一点上相交的球体。三个球体会相交即使你的数字相差很远，但是四个如果你测量不正确，球体不会相交于一点。由于接收器使用自己内置的时钟来测量所有的距离，所以所有的距离都将是比例不正确．

接收器可以很容易地计算出必要的调整，使四个球体相交于一点。在此基础上，它重置自己的时钟，使之与卫星的原子钟同步。接收器在打开的时候就会不断地这样做，这意味着它几乎和卫星上昂贵的原子钟一样精确。

为了使距离信息发挥作用，接收器还必须知道卫星的实际位置。这并不特别困难，因为卫星运行在非常高和可预测的轨道上。GPS接收器只是简单地存储一个年鉴它会告诉它每个卫星在任何给定时间的位置。比如月亮的引力和太阳但国防部会持续监控卫星的准确位置，并将任何调整作为卫星信号的一部分发送给所有GPS接收器。

在下一节中，我们将查看可能发生的错误，并查看GPS接收器如何纠正它们。

到目前为止，我们已经了解了GPS接收器是如何根据它从四颗定位卫星接收到的信息来计算它在地球上的位置的。这个系统运行得很好，但也会出现不准确的情况。首先，这种方法假设无线电信号将以一致的速度(光速)穿过大气层。事实上，地球的大气层在一定程度上减缓了电磁能量的速度，特别是当它穿过电离层和对流层时。延迟取决于你在地球上的位置，这意味着很难在距离计算中准确地考虑这个因素。当无线电信号被大型物体反射时也会出现问题，例如摩天大楼，给接收器一种卫星比实际距离更远的印象。最重要的是，卫星有时会发出错误的年历数据，错误地报告自己的位置。

差分全球定位系统(DGPS)有助于纠正这些错误。其基本思想是在一个已知位置的固定接收站测量GPS的误差。由于台站的DGPS硬件已经知道自己的位置，它可以很容易地计算接收机的不准确性。然后，该站向该地区所有安装了全球定位系统的接收器广播无线电信号，提供该地区的信号校正信息。一般来说，获得这种校正信息使DGPS接收器比普通接收器更准确。

GPS接收器最重要的功能是接收至少四颗卫星的传输信息，并将这些信息与电子年鉴中的信息结合起来，所有这些都是为了计算出接收器在地球上的位置。

一旦接收器做了这个计算，它就可以告诉你它当前位置的纬度、经度和高度(或一些类似的测量)。为了使导航更加用户友好，大多数接收器将这些原始数据插入到存储的地图文件中内存．

你可以使用存储在接收器内存中的地图，将接收器连接到电脑它可以在内存中保存更详细的地图，或者简单地购买一张你所在地区的详细地图，利用接收器的经度和纬度读数来找到你要走的路。有些接收器允许您将详细地图下载到内存中，或者使用插件地图盒提供详细地图。

一个标准的GPS接收器不仅可以在地图上把你定位在任何特定的位置，还可以在你移动的过程中追踪你的路径。如果你让接收器开着，它可以与GPS卫星保持持续的联系，以了解你的位置是如何变化的。有了这些信息和它内置的时钟，接收者可以给你几条有价值的信息:

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