GPS接收機工作原理
為了不迷路，我們的祖先不得不進行非常艱苦的測量工作。他們所采取的方式包括樹立里程碑，進行艱苦的地圖繪制工作以及學習如何利用夜空中的星星辨別方向。
如今，一切變得非常簡單。您只需花費不到100美元就可以獲得一個可以裝在口袋里的小工具，它在任何時候都可以告訴您在地球上的確切位置。只要您有一個GPS接收機并能使它無遮掩地對準天空，您就永遠不會再迷路。
在本文中，我們將了解到這些便攜式指南裝置如何實現這個令人稱奇的功能。正如我們所知道的，雖然衛星定位系統十分龐大、昂貴并且融入了許多技術發明，但它的工作原理卻非常簡單明了，下面進入GPS接收機工作原理正文。
當人們談到“GPS”時，通常是指GPS接收機。衛星定位系統 (GPS) 實際上是一個衛星群，由27顆沿環地球軌道運行的衛星（24顆為工作衛星，另外三顆為備用衛星）組成。雖然這一衛星網絡由美方研發并作為導航系統而使用，但很快這一系統就進入了普通百姓的生活中。
NAVSTAR GPS衛星 NASA 供圖
每一顆由太陽能提供動力的衛星的造價在3,000-4,000英鎊之間，并且在地球上空大約19,300千米的高度繞地球運行，每天繞地球運轉兩周。它們的運行軌道是經過特殊安排的，所以在任何時候，地球上任何地方的上空都至少可以“見到”四顆衛星。
GPS衛星群的示意圖 美國供圖
GPS接收機的任務就是確定四顆或更多衛星的位置，并計算出它與每顆衛星之間的距離，然后用這些信息推算出自己的位置。這一計算過程的基礎是一條被稱為三邊測量法的簡單數學定理。三維空間的三邊測量法稍微復雜一點，所以我們先從簡單的二維三邊測量法進行說明。 在這之前，我們先看一些有關GPS的精彩實錄。
顆GPS衛星于1978年發射。
目前使用的系統是由第二代GPS衛星組成的，稱為Block II。顆Block II衛星于1989年發射，美國于1995年宣布GPS全面運作，當該系統剛剛推出時，GPS信號傳輸中存在故意計算錯誤的做法，以此限制非GPS接收機的精確度。2000年5月份，相關部門停止了這一做法。這時，已有24顆GPS衛星運行在軌道上。這24顆衛星的建造和發射總共花費了約120億美元。每顆衛星重約787公斤。這些衛星運行在地球上空約2萬公里的軌道上。衛星沿軌道繞地球運行一周的時間為12小時。俄羅斯也有一套與美國一樣的系統，被稱為GLONASS系統。
二維三邊測量法
想象一下，您正身處美國的某地并且迷了路——由于某種原因，您沒有任何線索來確定位置。您找到一位友善的當地人問道：“我在哪兒？” 他回答說，“這里是距離愛達荷州（Idaho）博伊西市（Boise）約1005千米的地方。”
這是一個表面上看似精確，但對您來說沒有什么實際用處的答案。您可能在以博伊西市為中心半徑1005千米的圓周上的任何地方，比如：
GPS 三邊示意圖
當您再次向某人問路時，她回答說，“這里是距離明尼蘇達州（Minnesota）明尼阿波利斯市（Minneapolis）約1110千米的地方。” 現在您就有了些頭緒。如果您把這一信息與前面得到的關于博伊西市的信息結合起來分析，您就會得到兩個相交的圓。如果您距離博伊西市1005千米而且距離明尼阿波利斯市1110千米，那么就可以知道您現在處在這兩個交點中的一個上。
GPS 三邊示意圖
如果第三個人告訴您現在位于距離亞利桑納州（Arizona）圖森市（Tucson）約990千米的地方，那么您就可以排除其中的一個位置，因為第三個圓只會與上面提到的兩個交點中的一個相交。現在您可以確定自己的位置在科羅拉多州（Colorado）的丹佛（Denver）市了。
GPS 三邊示意圖
這一原理同樣適用于三維空間，但您要計算的是球面而不是平面的圓。下面，我們將了解這種三邊測量法。
本質而言，三維三邊測量法不會比二維三邊測量法難太多，但需要較高的空間想象力。 試想一下，前面例子中的半徑突破平面的局限，開始向四面八方伸展。 于是您得到的是一系列的球面而非一系列的圓。
如果您距離太空中的A衛星約16千米，您所處的位置就有可能是一個很大的面上的任何一點，設想一下這可是一個半徑約為16千米的球面。 如果您知道自己距離B衛星約24千米，您就可以得到另一個很大的球面，并且與前一個球面相交。 兩個球面相交處形成一個正圓。 如果您還知道與第三顆衛星的距離，就可以得到第三個球面，與上面的正圓相交于兩點。
地球本身就是第四個球面——所以兩個交點中只有一個位于地球的表面，而另一個位于太空的交點就可以排除掉了。 然而，接收機一般會尋找四顆或更多的衛星，以提高精度并提供精確的海拔信息。
為了進行這個簡單的計算，GPS接收機必須知道下面兩個方面的數據：
GPS接收機通過分析GPS衛星發出的高頻低功率無線電信號來計算這些數據。 較好的裝置通常有好幾個接收機，因此可以同時接收到來自多顆衛星的信號。
無線電波是一種電磁能量，這意味著它們是以光速（真空中的速度約為每秒30萬公里）傳播的。 接收機根據信號到達的時長計算其傳播的距離。 下面，我們將了解接收機和衛星如何協同進行這一測量。
我們了解到GPS接收機是通過計量信號在衛星和接收機之間的往返時間來計算距離的。事實證明，這是一個相當精細的過程。
在某一時刻（假定是午夜），衛星開始發送一長串稱為偽隨機碼的數字序列。 同樣，接收機也在午夜開始發出相同的數字序列。 當衛星信號到達接收機時，數字序列的傳送會比接收機發出信號的時間稍稍滯后。
GPS衛星 美國供圖
時間延遲的長度就是信號傳送的時間。接收機將這一時間乘以光速就可以計算出信號傳送的距離。假設信號是以直線傳送的，則這一結果即為接收機到衛星的距離。
為了使這一測量法準確有效，接收機和衛星都需要可以精確到納秒的同步時鐘。為了使衛星定位系統使用同步時鐘，我們需要在所有衛星以及接收機上都安裝原子鐘。但原子鐘的價格在5-10萬美元之間，對于普通消費者而言有點太貴了。
衛星定位系統使用了一個巧妙而有效的方案解決了這一難題。每一顆衛星上仍然使用昂貴的原子鐘，但接收機使用的是經常需要調校的普通石英鐘。簡言之，接收機接收來自四顆或更多衛星的信號并計算自身的誤差。換句話說，接收機使用的“當前時間”必須是值。正確的時間值的意義在于，使接收機收到的所有信號就好像都來自太空中的單一點。這一時間值是所有衛星上原子鐘的統一時間。因此接收機就可以將自身的時鐘調整到這一時間值，進而使接收機的時間與所有衛星上的原子鐘相同。GPS接收機就可以“免費”獲得原子鐘的精確度。
當測量到四顆定位衛星到您所處位置的距離時，您就可以畫出相交于一點的四個球面。即使您的數字有誤差，三個球面仍然可能相交，但如果您的測量有誤，四個球面就不可能相交于一點。由于接收機利用自身內置的時鐘來測量所有的距離，距離測量會呈現一定的比例誤差。
接收機可以輕易地計算出使四個球面相交于一點所進行的必要調整。基于此，接收機需要重新設置自身的時鐘以便和衛星原子鐘同步。接收機只要開啟就處在不斷的調整中，這也意味著接收機幾乎與衛星中昂貴的原子鐘一樣精確。
要使用距離信息進行定位，接收機還必須知道衛星的確切位置。這并不是特別難辦到的事，因為衛星運行在很高的既定軌道上。GPS接收機儲存有星歷，其作用是告訴接收機每顆衛星在各個時刻的位置。雖然一些外在因素，如月球和太陽的引力作用，會緩慢地改變衛星運行的軌道，但美國會不斷監控衛星的精確位置，并把任何調整信息都作為衛星信號的一部分傳送給所有的GPS接收機。
雖然這一系統工作性能不錯，但錯誤還是會不時發生。其中一個原因是，這一測量方式是建立在一種假設上的，即無線電信號會勻速（光速）穿過大氣層。事實上，地球大氣層在一定程度上減慢了電磁能量的傳播速度，特別是當電磁信號進入電離層和對流層時。延遲狀況因您在地球上所處地點的不同而不同，這意味著很難將這一因素準確地納入距離的計算中去。難題還在于無線電信號可能被大型物體反彈回去，例如摩天大樓，這將導致接收機計算出的與衛星的距離比實際的要遠。最糟的情況是，有時衛星會發送錯誤的星歷數據，誤報自己的位置。
差分GPS（DGPS）有助于糾正此類錯誤。其基本原理是用一個已知位置的固定接收機站來測算GPS的誤差。由于機站的DGPS硬件已經知道它自己的位置，它可以很容易地計算出它覆蓋范圍內的接收機的誤差。該機站會向所在區域內所有裝配DGPS的接收機發送無線電信號，為這一區域提供信號糾正信息。一般而言，能獲得這些糾正信息使DGPS接收機比普通的接收機要精確得多。
GPS接收機最基本的功能就是接收來自至少四顆衛星的信號，并且將這些信號中的信息與電子星歷的信息相結合以計算出接收機在地球上的位置。
一旦接收機計算完畢，它就可以告訴您它目前所處位置的經度、緯度和海拔（或與之類似的測量信息）。為了使導航更加人性化，大多數接收機會把這些原始數據標注在存儲于內存中的地圖文件上。
StreetPilot II，附帶駕駛員用的內置地圖的GPS接收機 Garmin 佳明 供圖
您可以使用接收機內存中存儲的地圖，也可以把接收機連接到一臺內存中存有更多詳盡地圖的計算機，或者您直接買一張所在區域的詳細地圖，再根據接收機提供的經度和緯度信息找到自己的位置。部分接收機可以讓您將詳細的地圖下載到內存中，或通過插件式地圖存儲裝置提供詳細的地圖。
標準的GPS接收機不僅可以把您的確切位置標注在地圖上，也可以把您移動的路線顯示在地圖上。如果您讓接收機一直開著，它就會一直保持與GPS衛星之間的通訊聯絡，這樣您就能看到您位置的變化情況了。有了這一信息和內置的時鐘，接收機可以為您提供以下幾條有價值的信息：
信息標題：GPS接收機工作原理
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