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什么是GPS，它是如何工作的？
全球定位系统(GPS)是一种导航系统，它使用卫星、接收器和算法来同步位置、速度和时间数据，用于陆地、海洋和空中定位。
卫星系统是由24颗卫星组成的星座，这些卫星位于以地球为中心的六个轨道平面上。每个轨道平面上有4颗卫星，它们在地球上空2万公里的轨道上以每小时1.4万公里的速度运行。
虽然我们只需要三颗卫星就可以确定地球表面的位置，但第四颗卫星往往被用来验证其他三颗卫星提供的信息是否准确；第四颗卫星还允许用户进入三维空间，并计算设备的高度。
GPS的三要素是什么？
GPS由三部分组成，它们共同提供位置信息，即：
空间段——是绕地球运行的卫星，根据地理位置和时间向用户发送信号；
地面部分——由地面监控站、主控站和地面天线组成。控制活动包括跟踪和操作空间卫星以及监测传输。世界上几乎每个大洲都有监测站，包括北美、南美、非洲、欧洲、亚洲和澳大利亚。
用户群——GPS接收器和发射器，包括手表、智能手机和远程通信设备。
GPS技术是如何工作的？
GPS使用一种叫做三边测量的技术；该技术用于计算位置、速度和高度，并收集卫星信号输出位置的信息。
由绕地球轨道运行的卫星发送的信号由位于地球表面或附近的GPS设备读取和解释。为了计算位置，GPS设备必须能够读取来自至少四颗卫星的信号。
网络中的每颗卫星每天绕地球运行两次，每颗卫星发送一个唯一的信号、轨道参数和时间。在任何给定的时刻，GPS设备可以读取至少六颗卫星的信号。
卫星会发出微波信号，由GPS设备接收，计算出GPS设备到卫星的距离。因为GPS设备只提供距离卫星的距离信息，一颗卫星提供不了多少位置信息。卫星不发送有关角度的信息，因此GPS设备的位置可能在球体表面的任何地方。
当第一颗卫星发出信号时，它会形成一个圆，其半径由GPS设备测量到卫星。
再加一颗卫星会产生第二个圆，位置会缩小到两个圆的交点之一。
利用第三颗卫星，可以最终确定设备的位置，因为设备位于所有三个圆的交点上。
换句话说，我们生活在一个三维世界中，这意味着每个卫星产生一个球体，而不是一个圆形。三个球体相交产生两个交点，所以选择离地球最近的点。
以下是卫星测距的示意图：
当设备移动时，半径(到卫星的距离)会改变。当半径改变时，一个新的球体产生，给我们一个新的位置。我们可以使用这些数据，结合卫星时间，来确定速度，计算到目的地的距离和ETA(预计到达时间)。
GPS的目的是什么？
对于不同行业的许多企业和组织来说，GPS是一个强大而可靠的工具。测量员、科学家、航海家、船长、急救人员以及采矿和农业工人只是日常使用GPS的一部分。他们利用GPS信息完成精确的勘测和地图绘制，并进行精确的时间测量、定位或跟踪以及导航。GPS可以在任何时间和几乎所有天气条件下工作。
GPS有五个主要用途：
定位——确定位置；
导航——确定从一个位置到另一个位置的路线；
跟踪——被监控对象或个人运动；
制图——创建世界地图；
计时——使精确的时间测量成为可能。
GPS使用案例的一些具体示例包括：
应急响应
在紧急情况或自然灾害的情况下，急救人员使用GPS绘制地图，跟踪和预测天气，并跟踪急救人员。在欧盟和俄罗斯，eCall法规依赖于GLONASS技术(一种GPS替代技术)和远程信息技术，在发生车祸时向紧急服务部门发送数据，从而缩短了响应时间。
娱乐
GPS可以集成到游戏和活动中，比如Pokmon Go和Geocaching；
健康和健身
智能手表和可穿戴技术可以跟踪健身活动(如跑步距离)，并根据类似的人口统计数据进行基准测试；
建筑、采矿和越野卡车运输
从定位设备到衡量和改善资产配置，GPS使公司能够提高资产回报率；
运输
物流公司实施远程信息系统，提高司机的生产力和安全性；卡车追踪器可用于支持路线优化、燃油效率、驾驶员安全和合规性。
其他使用GPS的行业包括农业、自动驾驶汽车、销售和服务、军事、移动通信、安全和渔业。
GPS有多精确？
GPS设备的精度取决于很多变量，比如可用卫星数量、电离层、城市环境等等。
影响GPS精度的因素包括：
物理障碍
到达时间的测量可能被诸如山脉、建筑物和树木之类的大物体扭曲；
大气影响
电离层延迟、强风暴覆盖、太阳风暴都会影响GPS设备；
星历表
卫星内部的轨道模型可能是错误的或过时的，尽管这种情况越来越少；
数值计算误差
这可能是设备硬件设计不符合规范的一个因素；
人为干扰
包括GPS干扰设备或欺骗。
在没有相邻高层建筑的开阔区域，精度往往更高，这种效果被称为城市峡谷。当设备被大型建筑物包围时，例如曼哈顿或多伦多市中心，卫星信号首先被屏蔽，然后被建筑物反射，最后被设备读取，这可能导致卫星距离的错误计算。
全球定位系统简史
几千年来，人类一直利用太阳、月亮、星星以及后来的六分仪来航行。GPS是20世纪由于太空时代的技术而取得的进步。
历史上，全球定位系统技术在世界各地都有应用。1957年俄罗斯Putnik-1卫星的发射带来了地理定位能力的可能性，不久之后，美国国防部开始将其用于潜艇导航。
1983年，美国政府公开了GPS，但它仍然控制着可用的数据。直到2000年，公司和普通大众才完全获得GPS的使用权，为GPS更广泛的发展铺平了道路。
全球卫星导航系统
GPS被认为是全球导航卫星系统(GNSS)，这意味着它是一个全球卫星导航系统。到2021年，有三个全球导航卫星系统全面投入运行：美国NAVSTAR GPS、俄罗斯GLONASS和中国北斗卫星导航系统BDS。NAVSTAR GPS由美国拥有的32颗卫星组成，是最著名和应用最广泛的卫星系统。俄罗斯的GLONASS由24颗运行卫星组成，其余3颗作为备份卫星或正在测试中；中国北斗卫星导航系统由55颗业务卫星组成。与其他卫星定位系统最大的区别在于，它是双向传播方式，除了简单的定位外，还可以发送定位。
其他国家也在竞相追赶。比如欧盟一直在研究伽利略系统；日本和印度也在各自的区域系统中顺利发展，分别是准天顶卫星系统(QZSS)和印度区域导航卫星系统(IRNSS)。
全球定位系统和全球导航卫星系统设备
虽然GPS是GNSS的子集，但接收机分为GPS(仅限GPS)或GNSS。GPS接收器只能从GPS卫星网络中的卫星读取信息，而典型的GNSS设备可以同时从GPS、GLONASS和BDS接收信息。
一个GNSS接收器有60颗卫星用于观测。虽然一个设备只需要三颗卫星就可以确定位置，但是卫星越多，精度越高。下图显示了可用卫星的数量(以绿色显示)及其对GPS接收器的信号强度(柱高)的示例。在这种情况下，有12颗卫星可用。
典型的gps测试板显示12个卫星信号。
GNSS设备可以看到更多的卫星，这有助于提高设备的精度。在下面的图表中，有17颗可用的卫星；绿色条是GPS的一部分，蓝色条是GLONASS的一部分。
典型的GNSS测试板显示17个卫星信号。
向接收器提供信息的卫星越多，GPS设备计算位置就越精确。当接收器计算用户的位置时，卫星越多，设备被定位的可能性就越大。
然而，全球导航卫星系统接收器也有一些缺点：
GNSS芯片成本高于GPS设备；
GNSS使用比GPS (1559-1591 MHz)更宽的带宽(1559-1610 MHz)，这意味着标准的GPS RF组件，如天线、滤波器和放大器，不能用于GNSS接收器，导致成本更高。
功耗将略高于GPS接收机，因为它连接更多的卫星，并运行计算来确定位置。
全球定位系统的未来
目前，各国都在不断建设和完善自己的GPS系统，全世界都在努力提高精度、可靠性和GPS功能。
例如：
预计全球导航卫星系统接收器将变得更小、更精确、更高效，全球导航卫星系统技术也将渗透到对成本敏感的全球定位系统应用中。
科学家和救援人员正在寻找新的方法，在地震、火山爆发、天坑或雪崩发生时，使用GPS技术来预防和分析自然灾害。对于新冠肺炎疫情，研究人员正在研究使用手机定位数据来帮助追踪接触者，以减缓病毒的传播；
新GPS III卫星的发射将GPS精度提高到1-3米，提高导航能力，预计最早在2023年发射更耐用的部件；
下一代GPS卫星将包括更好的信号保护，降低对信号干扰的敏感性，以及在覆盖死区方面更强的可操作性；
美国宇航局的深空原子钟将使用强大的机载GPS卫星，帮助未来的宇航员在深空旅行时提供更好的时间一致性。
可以预见，未来的GPS跟踪对于个人和商业目的都将更加精确和有效。
原始链接：
https://www.geotab.com/blog/what-is-gps/
japan quarterly 日本季刊
