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gps定位是如何工作的

當(dāng)你在一個(gè)陌生的城市或野外迷路了，不知道自己身在何方時(shí)，應(yīng)該如何確定自己的位置?我們的遠(yuǎn)古祖先會(huì)樹立高聳的地標(biāo)，并且通過白天的太陽以及夜晚的星星來確定方向。后來人們發(fā)明了羅盤，學(xué)會(huì)了制作詳細(xì)的地圖，但是離開自己熟悉的地區(qū)后仍然容易迷路。

而現(xiàn)在，我們只需要拿出隨身攜帶的智能手機(jī)，使用GPS定位功能就能相當(dāng)精確地知道自己所處位置。GPS也就是全球定位系統(tǒng)，它的背后有著昂貴的設(shè)備和強(qiáng)大的技術(shù)支持，但是定位的數(shù)學(xué)原理卻相當(dāng)?shù)睾?jiǎn)單和直觀。

雖然500年前麥哲倫通過環(huán)球航行向世人證明了地球是球形，但是我們立足于平坦的大地上，使用平面的地圖。我們通常用東南西北來確定方位，如果我們知道自己相對(duì)一些確定地點(diǎn)的方位，就能在地圖上找到我們的位置。比如當(dāng)前所處位置在家的東邊，學(xué)校的西偏北方向，然后你只需要在地圖上畫兩條線，得到的交點(diǎn)就是我們所處的位置。

GPS全球定位系統(tǒng)就是一個(gè)空間無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，在你頭頂?shù)牡厍蜍壍郎线\(yùn)轉(zhuǎn)著很多顆GPS衛(wèi)星，這些衛(wèi)星彼此間有著同步的時(shí)間，且與地面時(shí)間一致。然后衛(wèi)星通過無線電波不斷地喊出自己的位置和時(shí)間，而我們的手機(jī)可以“聽到”它們的聲音。

現(xiàn)在讓我們繼續(xù)思考前面的定位問題，我們從GPS衛(wèi)星得到的信息中不知道方向，只能知道衛(wèi)星的位置和距離。打開平面的地圖，如果我們知道離家和學(xué)校的距離，可以在地圖上以家和學(xué)校為圓心距離為半徑畫兩個(gè)圓，通常情況下它們會(huì)有兩個(gè)交點(diǎn)，這樣我們?nèi)绻€知道離游樂園的距離，就可以畫出第三個(gè)圓來確定我們的位置。

平面上的圓對(duì)應(yīng)著三維空間的球面，如果你很難想象球與球之間的交點(diǎn)也沒關(guān)系，你只需要知道我們需要至少4個(gè)球面來確定一個(gè)點(diǎn)。雖然地球也可以作為其中一個(gè)球面，但是為了更加精確地定位，我們需要隨時(shí)隨地“看見”四顆或更多衛(wèi)星，聽見它們的聲音，因此衛(wèi)星總數(shù)至少是24顆，而現(xiàn)在工作的GPS衛(wèi)星有30顆以上。

這樣一來我們手機(jī)從接受到的GPS衛(wèi)星無線電信息中得到的時(shí)間信息，乘以光速就可以得到我們與衛(wèi)星的距離，再加上衛(wèi)星的位置就可以計(jì)算得到我們所處的位置。如果我們?cè)陂_闊地區(qū)接收到更多衛(wèi)星的信號(hào)，就能得到更精確的位置，反之如果我們?cè)诮ㄖ锾貏e是電梯里，信號(hào)也會(huì)變差。

雖然GPS定位的數(shù)學(xué)原理很簡(jiǎn)單，但是實(shí)際上衛(wèi)星和地球都在不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，如果時(shí)間稍有誤差，計(jì)算得到的位置就會(huì)有很大的錯(cuò)誤。一個(gè)非常有名的誤差便是基于廣義相對(duì)論，GPS衛(wèi)星上的時(shí)鐘每天會(huì)比地球上時(shí)鐘快38微秒，計(jì)算位置就會(huì)出現(xiàn)10公里的誤差。科學(xué)家就需要解決許多技術(shù)上的細(xì)節(jié)問題，保證GPS能夠正確地工作。

除了GPS衛(wèi)星定位，我們還能通過地球上信號(hào)基站等其他方式定位。科技帶來定位能力讓我們出門在外的時(shí)候更加有安全感。

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