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怎么样 全球定位系统 Receivers Work

A 全球定位系统 接收者 uses 卫星s to pinpoint locations. See more 小工具的图片. Stocktrek图片/盖蒂图片社

我们的祖先不得不采取极端的措施以免迷路。他们架起了巨大的地标,费力地绘制了详细的 地图 并学会了阅读 星星 在夜空中。

今天事情变得简单得多。不到100美元,您就可以得到一个袖珍型小工具,它会告诉您确切的位置 地球 任何时候。只要您有GPS接收器并能清楚看到天空,您就不会再迷路了。

在本文中,我们将找出这些方便的指南是如何实现这一惊人技巧的。就像我们将看到的那样,全球定位系统庞大,昂贵且涉及许多技术创新,但是工作中的基本概念非常简单直观。

当人们谈论"a 全球定位系统," they usually mean a 全球定位系统 接收者. 的 全球定位系统 (全球定位系统)实际上是一个 星座 27个绕地球运行的轨道 卫星s (24个正在运行,如果有一个失败,则有三个附加功能)。美国军方将此卫星网络开发并实施为军事导航系统,但很快向所有人开放。

这些3,000至4,000磅重的太阳能卫星中的每一个都绕着地球飞行约12,000英里(19,300公里),每天旋转两次。轨道的排列方式使得在地球上的任何时间,任何地方至少有四颗卫星"visible" in the sky.

全球定位系统接收器的工作是找到这些卫星中的四颗或更多,找出它们之间的距离,然后使用此信息推断出自己的位置。此操作基于一个简单的数学原理,即 三边测量。三维空间中的三边测量可能会有些棘手,因此我们将以简单的二维三边测量开始。

 

内容
  1. 二维三边测量
  2. 3-D三边测量
  3. 全球定位系统 Calculations
  4. Differential 全球定位系统

想象一下,您在美国某个地方,完全迷失了自己-无论出于什么原因,您绝对不知道自己在哪里。您找到一个友好的当地人,问,"Where am I?" He says, "您距离爱达荷州博伊西市625英里。"

这是一个很好的,困难的事实,但是它本身并不是特别有用。您可能在博伊西周围的半径为625英里的圆上的任何地方,如下所示:

你问别人你在哪里,她说,"您距离明尼苏达州明尼阿波利斯690英里。"现在您到达某个地方。如果将此信息与博伊西信息相结合,则有两个相交的圆。现在您知道,如果您距博伊西625英里和明尼阿波利斯690英里,则必须处于这两个交叉点之一。

如果第三人称您距亚利桑那州图森市615英里,则可以消除其中一种可能性,因为第三圈只会与这些点之一相交。现在,您确切地知道自己的位置- 科罗拉多州丹佛.

同样的概念也适用于三维空间,但是您正在处理 领域 而不是圈子。在下一节中,我们将介绍这种三边测量。

此内容在此设备上不兼容。

从根本上讲,三维三边测量与二维三边测量没有太大区别,但可视化有些棘手。想象一下前面示例中的半径在所有方向上都消失了。因此,您得到的不是一系列的圆,而是一系列的球。

如果您知道自己距离天空中的卫星A 10英里,那么您可能在半径10英里的虚构巨大球体表面上的任何位置。如果您还知道自己距离卫星B 15英里,则可以将第一个球体与另一个更大的球体重叠。球体以完美的圆相交。如果您知道到第三颗卫星的距离,您将得到一个第三球体,该球体与该圆在两个点处相交。

地球本身可以充当第四球-实际上,这两个可能的点中只有一个位于地球表面,因此您可以消除太空中的一个。接收器通常使用四颗或更多颗卫星,以提高准确性并提供精确的高度信息。

为了进行这种简单的计算,GPS接收器必须知道两件事:

全球定位系统接收器通过分析高频,低功率来解决这两个问题 无线电信号 来自GPS卫星。更好的设备具有多个接收器,因此它们可以同时接收来自多个卫星的信号。

无线电波 是电磁能,这意味着它们以光速传播(每秒约186,000英里,在真空中每秒30万公里)。接收器可以通过定时信号到达所需的时间来确定信号已经传播了多远。在下一部分中,我们将看到接收机和卫星如何协同工作以进行此测量。

A GPS satellite
A 全球定位系统 卫星
Photo courtesy 美国军队

在上一页中,我们看到GPS接收器通过定时信号从卫星到接收器的行程来计算到GPS卫星的距离。事实证明,这是一个相当复杂的过程。

在特定时间(例如午夜),卫星开始发射一个长的数字码型,称为 伪随机码。接收器也恰好在午夜开始运行相同的数字码型。当卫星的信号到达接收器时,其模式传输将落后于接收器播放模式。

延迟的长度等于信号的传播时间。接收器将此时间乘以光速以确定信号传播的距离。假设信号沿直线传播,这就是从接收机到卫星的距离。

为了进行此测量,接收器和卫星都需要可以同步至纳秒级的时钟。要仅使用同步时钟制作卫星定位系统,您需要 原子钟 不仅在所有卫星上,而且在接收机本身上。但是原子钟的价格在50,000美元到100,000美元之间,这对于日常消费者使用来说有点太贵了。

全球定位系统为这个问题提供了一个聪明而有效的解决方案。每个卫星都包含一个昂贵的原子钟,但是接收器本身使用一个普通的原子钟。 石英钟,它会不断重置。简而言之,接收器会查看来自四颗或更多颗卫星的输入信号,并衡量其自身的不准确性。换句话说,对于"current time"接收者可以使用的。正确的时间值将使接收器接收的所有信号在空间中的单个点对齐。该时间值是所有卫星中原子钟所保持的时间值。因此,接收器将其时钟设置为该时间值,然后它具有与所有卫星中的所有原子钟相同的时间值。 全球定位系统接收器获得原子钟精度"for free."

在测量到四个定位的卫星的距离时,您可以绘制四个在一个点处相交的球体。即使您的数字距离很远,三个球也会相交,但是 如果您测量不正确,则球体将不会在某一点相交。由于接收器使用其自己的内置时钟进行所有距离测量,因此所有距离均为 按比例不正确.

接收器可以轻松计算出必要的调整,该调整将导致四个球体在一个点处相交。基于此,它将其时钟重置为与卫星的原子钟同步。接收器每次打开时都会不断地执行此操作,这意味着它的精度几乎与卫星上昂贵的原子钟一样。

为了使距离信息有用,接收器还必须知道卫星的实际位置。这并不是特别困难,因为卫星沿非常高且可预测的轨道行进。 全球定位系统接收器仅存储一个 年历 告诉它任何给定时间每颗卫星应该在哪里。像月亮的拉动和 太阳 确实会稍微改变卫星的轨道,但美国国防部会不断监视其确切位置,并将所有调整作为卫星信号的一部分传输到所有GPS接收器。

在下一节中,我们将研究可能发生的错误,并查看GPS接收器如何纠正它们。

的 StreetPilot II, a GPS receiver with built-in maps for drivers
StreetPilot II,一个具有内置地图的GPS接收器,用于驾驶员
Photo courtesy 加尔明

到目前为止,我们已经了解了GPS接收器如何根据从四颗定位卫星接收到的信息来计算其在地球上的位置。该系统运行良好,但确实会出现错误。一方面,此方法假定无线电信号将以一致的速度(光速)进入大气。实际上,地球的大气层会稍微降低电磁能的速度,特别是当它穿过电离层和对流层时。延迟因您在地球上的位置而异,这意味着很难将其准确地纳入距离计算中。当无线电信号从大物体上反弹时,也会出现问题,例如 摩天大楼,给接收机的印象是卫星比实际距离更远。最重要的是,卫星有时会发出错误的年历数据,从而错误报告自己的位置。

Differential 全球定位系统 (DGPS)帮助纠正这些错误。基本思想是在已知位置的固定接收站测量GPS不准确性。由于该站的DGPS硬件已经知道其自身位置,因此可以轻松计算出其接收器的不准确性。然后,电台向该地区所有配备DGPS的接收机广播无线电信号,为该地区提供信号校正信息。通常,访问此校正信息会使DGPS接收器比普通接收器更加准确。

全球定位系统接收机的最基本功能是拾取至少四颗卫星的传输,并将这些传输中的信息与电子年历中的信息结合起来,以找出接收机在地球上的位置。

接收器进行此计算后,它可以告诉您当前位置的纬度,经度和海拔(或类似的测量值)。为了使导航更加用户友好,大多数接收器将此原始数据插入存储在其中的地图文件中 记忆.

您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 可以在其内存中保存更详细的地图,或者只是购买您所在区域的详细地图,并使用接收器的纬度和经度读数找到您的出路。某些接收器使您可以将详细的地图下载到内存中,或提供带有插入式地图盒的详细地图。

标准的GPS接收器不仅可以将您放置在地图上的任何特定位置,还可以在您移动时在地图上跟踪您的路径。如果您将接收机保持打开状态,则它可以与GPS卫星保持持续通信,以查看您的位置如何变化。利用此信息及其内置的时钟,接收器可以为您提供一些有价值的信息:

有关GPS接收器和相关主题的更多信息,请查看下面的链接。

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