gps是如何工作的？gps的工作原理及组成

全球定位系统的奥秘

完整的GPS系统仿佛一个神秘的导航系统，由三部分巧妙组合而成。

是空间部分。想象一下24颗卫星在地球外的轨道上熠熠生辉，其中21颗工作卫星不断发射信号，指引方向，还有3颗备用卫星随时待命。这些卫星并不停留在同一平面，而是分布在六个不同的轨道面上，每个轨道面都有四颗卫星守护，确保全球任何角落都能接收到它们的信号。这些卫星中预存的导航信息就如同夜空中的明灯，照亮我们前行的道路。由于大气摩擦等因素的影响，这些卫星的导航精度会逐渐降低。

接下来是地面控制系统。这是一个强大的后盾团队，由监测站、主控制站和地面天线组成。主控制站位于美国科罗拉多州的春田市，负责收集卫星传回的信息。这些数据包括卫星星历、相对距离以及大气校正等关键信息。这些数据的收集和处理就如同一场精密的舞蹈，确保GPS系统的正常运行。

我们来到用户设备部分，也就是GPS信号接收机。这个设备能够捕捉到按照一定卫星截止角选择的待测卫星，并紧紧跟踪它们的运行轨迹。当接收机捕获这些卫星信号后，就可以测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率。这些数据经过解调，得到卫星轨道参数等重要信息。接收机的微处理计算机根据这些数据，通过定位解算方法，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。这些设备体积小、重量轻，方便野外观测使用。通常所说的GPS往往指的就是用户设备部分。它通过接收不同位置的三颗以上卫星信号，精确测定手持机的位置。简单来说，这是利用了数学上三条线确定一个点的原理。

那么，GPS是如何工作的呢？其实，它利用了我们熟知的几何与物理原理。假设我们知道卫星的位置，如果我们能准确测定自己所在地点A至卫星之间的距离，那么A点一定位于以卫星为中心、距离为半径的圆球上。随着我们测得与更多卫星的距离，A点的位置会越来越精确。为了确保定位的准确性，我们需要解决两个问题：确知卫星的准确位置和准确测定至卫星的距离。

关于如何确知卫星的准确位置，这需要通过精心的设计和监测。卫星运行轨道需要精心设计并持续优化。监测站会通过各种手段连续监测卫星的运行状态，并及时发送控制指令以确保卫星保持在正确的轨道上。正确的运行轨迹会被注入卫星，并发送给GPS接收机。接收到的每个卫星的星历数据可以帮助我们确知卫星的准确位置。

接下来，我们要解决的是如何准确测定地球上某用户至卫星的距离。虽然我们不能像在地面上那样用尺子来测量远距离的卫星，但我们可以通过测量信号传播的时间来间接计算距离。“时间乘以速度等于距离”这个基本的物理公式在这里得到了应用。为了准确测定信号传播时间，我们需要一个精确的时间基准和一个好的测量方法。

GPS导航系统在每颗卫星上装备了极其精密的原子钟，并由监测站进行校准。这些卫星不仅发送导航信息，还发送精确的时间信息。GPS接收机接收到这些信息后，会与自身的时钟同步，从而获得准确的时间。除了定位功能外，GPS接收机还可以产生精确的时间信息。

关于如何测定卫星信号传输时间，这里涉及到一些复杂的技术原理。但简而言之，我们需要解决时间基准问题和测量方法问题。GPS系统为我们提供了精确的导航和定位服务，它是现代科技的一项杰出成就。在我们所处的位置，无论是地面还是遥远的卫星，当我们尝试播放“东方红”乐曲时，想象在卫星和地面同时启动录音机，理论上我们会听到两首和谐的曲子。但实际上，由于信号传输的延迟，这两首曲子并不合拍。为了调整这种差异，我们延迟启动地面录音机的时间，直到两首曲子和谐同步。这个时间延迟就是卫星信号传输到GPS接收机所需的时间。

我们所听到的并非真正的“东方红”乐曲，而是一种名为伪随机码的二进制电码。这种电码在GPS系统中被用来与卫星传来的信号同步。通过测量这种同步的延迟时间，我们可以计算出卫星信号到达用户设备的时间。

但实际情况远比这复杂。电波传播的速度并非恒定，其在穿越电离层和对流层时，会受到电离子和水气的影响，产生额外的延迟。为了修正这些误差，我们需要依赖监测站收集的气象数据，并结合典型的电离层和对流层模型进行调整。电波在到达接收机天线之前，还可能因为各种障碍物而产生多径效应。在设计GPS接收机时，我们需要采取相应措施来应对这些问题，但这会增加设备的成本。

虽然原子钟非常精确，但并不是没有误差。在GPS接收机中，由于无法像卫星上那样使用昂贵的原子钟，我们利用测定第四颗卫星来校准接收机的时钟。理想情况下，所有测得的点应该重合，但实际上并不完全如此。我们可以利用这一点来反向校准GPS接收机的时钟。

在测定距离时，选择的卫星组合对测定误差也有影响。为了更精确的定位，我们会选择几何位置相距较远的卫星组合进行测量。还有一个重要的因素需要考虑，那就是美国的SA政策。

美国在其GPS设计中提供了两种服务：标准定位服务（SPS）和精密定位服务（PPS）。SPS利用粗码（C/A）定位，精度约为100米，供民用；而PPS则利用精码（P码）定位，精度高达10米，仅供军方和特许民间用户使用。由于SPS的定位精度已经高于原设计，出于自身安全的考虑，美国实施了选择可用性SA政策，通过卫星在导航电文中加入误差信息，将民用信号C/A码的定位精度降低到约100米。

为了克服这些误差和SA政策带来的干扰，我们可以采用差分GPS技术（DGPS）。这项技术可以消除大部分系统误差，包括SA政策造成的影响，将卫星导航定位的总体精度提高到10到15米之内。

在GPS定位过程中存在三部分误差：对所有用户接收机共有的误差、传播延迟误差以及各用户接收机所固有的误差。差分技术可以消除第一部分误差的大部分，并大部分消除第二部分误差。对于由美国SA政策带来的误差，实质上是通过人为增大前两部分误差来实现的，因此差分技术也能有效克服这种影响。

差分GPS技术消除公共误差的原理在于设置基准接收机。当基准接收机和用户接收机同时接收某一卫星的信号时，由于信号所途经的电离层和对流层情况基本相同，所产生的延迟也相同。通过比较两个接收机的数据并结合其他方法确定的座标，我们可以推算出其中的误差并通知用户进行校正，从而实现更精确的定位。