GPS的工作原理是？(GPS如何工作？)

GPS的工作原理，简单地说，就是利用我们熟悉的几何和物理学的基本原理。首先，假设卫星的位置是已知的，并且可以精确地确定从A点到卫星的距离，那么A点必须以卫星为中心，并且半径为测量距离。此外，当我们测量从A点到另一颗卫星的距离时，A点必须位于前面和后面两个球体相交的圆圈上。我们还可以测量到第三颗卫星的距离，发现A点只存在于三个球体相交的两个点上。根据一些地理知识，我们可以很容易地排除其中一个不合理的地方。当然，它也可以测量A点到另一颗卫星的距离，以确定它的确切位置。 为了实现精确的定位，必须解决两个问题：首先，我们需要知道卫星的确切位置。第二种方法是精确测量从卫星到我们在地球上的位置的距离。下面是如何做到的。如何确定从卫星到用户的距离我们在过去就知道了这个公式：时间乘以速度=距离。从物理学上也知道，无线电波的传播速度是每秒30万公里，所以一旦我们知道了卫星信号到达的时间，我们就可以用速度×时间=距离的公式求出距离。问题归结为测量信号的传播时间。要准确测量信号传播时间，需要解决两个问题。一个是基于时间的问题。你需要一个精确的时钟。就像用尺子测量桌子的长度一样。如果尺子本身不是标准的，那么测量长度是错误的。另一个问题是测量方法。GPS系统在每颗卫星上都装有一个非常精密的原子钟，由监测站经常校准。卫星传输导航信息和准确的时间信息。GPS接收器接收到这些信息，并将其与自己的时钟同步，以获得准确的时间。因此，GPS接收机除了能够产生精确的位置外，还能够产生精确的时间信息。如何测量卫星信号的传输时间为了避免过度使用行话，让我们从一个不恰当的比喻开始。如果我们在我们所在的地方和卫星上都启动录音机播放《东方红》的歌曲，首先应该听到一首、两首东方红的歌曲（其实卫星上播放的歌曲，我们听不到，而是假定能听到），但并不一定匹配。延迟地面录音机的启动，使两者相匹配当你听到两首歌的协调时，启动录音机所需的时间相当于从卫星到地面的旅行。当然，无线电波比声波快得多，耳朵无法接收。所以我们实际上播放的并不是《东方红》的歌曲，而是一种叫做伪随机码的二进制代码。延迟GPS接收机产生的伪随机码与从卫星接收到的码字同步，测量到的延迟时间是卫星信号到达GPS接收机的时间。在这一点上，测量卫星与用户之间的距离也得到了解决。当然，以上所有的情况都是理想的。实际情况比上述复杂得多，因此需要采取一些措施。例如，无线电波的速度并不总是恒定的。当它穿过电离层中的电离子和对流层中的水蒸气时，会产生一定程度的延迟。这可以根据观测站收集的气象数据，利用典型的电离层和对流层模型加以纠正。此外，在无线电波到达接收天线之前，各种障碍物和地面的折射和反射会产生多径效应。在设计GPS接收机时，我们必须要对这些问题进行处理。当然，这是以提高GPS接收器的成本为代价的。 原子钟非常精确，但没有误差。GPS接收机的时钟不能像卫星那样设置昂贵的原子钟，所以它被用来测量第四颗卫星，以校准GPS接收机的时钟。如前所述，每测量三颗卫星，就可以确定一个点。第四颗卫星和前三颗卫星的组合可以用来测量其他点。理想情况下，所有的测量点都应该匹配。但事实上，他们并不完全匹配。利用这一点，您可以校准GPS接收器上的时钟。在测量距离时选择卫星的几何位置，测量误差也不同。为了精确定位，可以测量更多的卫星，选择几何位置较远的卫星组合，测量误差更小。当我们谈论测量误差时，另一件事是美国的SA政策。美国政府计划在GPS设计中提供2项服务。一种是标准定位服务SPS，利用粗符号C/A进行定位，精度约为100m，面向民间提供。另一个是精密定位服务（PPS），利用精密码（P码）定位，精度达到10米，提供给军队和许可民间用户。多个试验表明SPS的定位精度比原来的设计高，因此美国政府考虑到独自的安全，对民间代码实施了被称为“选择可用性SA（Selective Availability）”的干扰，确保了其军事系统具有最佳的有效性。由于SA通过卫星在导航电文中随机添加误差信息，民用信号C/A码的定位精度降低到约100米的二维平均误差。采用差动GPS技术（DGPS），消除了上述大部分误差及SA干扰，提高了卫星导航定位的整体精度，系统误差在10.15米以内。GPS定位过程包括三个部分：每个用户接收器都有一些共同点，如卫星时钟误差、日历误差、电离层误差和对流层误差。第二部分是传播延迟误差，用户无法测量或通过校正模型计算。第三部分是每个用户接收器特有的误差，包括内部噪声、信道延迟和多径效应。采用差分技术，第一部分的误差可以完全消除，第二部分的误差几乎可以消除。这与从参考接收器到用户接收器的距离有关。第三部分误差只能通过提高GPS接收机本身的技术指标来消除。美国SA政策的误差本质上是前两个误差的人为增加，差分技术也克服了SA政策的影响。差分GPS技术在用户500公里范围内设置参考接收机时，消除了常见误差原理。由于它和用户接收器同时接收卫星信号，我们可以认为信号是通过电离层和对流层发送给两个接收器的。由于接收的是同一颗卫星，日历误差和卫星时钟误差也是一样的。如果你知道三维坐标（即使是高精度GPS接收机也能实现，价格也比一般GPS接收机高得多），你就可以根据测得的假距离估算出误差。通过将该误差数据发送给用户，用户可以从测量到的伪距离中减去误差，从而实现更精确的定位。