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GPS的工作原理,簡單地說來,是利用我們熟知的幾何與物理上一些基本原理。首先我們假定衛星的位置為已知,而我們又能準確測定我們所在地點A至衛星之間的距離,那么A點一定是位于以衛星為中心、所測得距離為半徑的圓球上。進一步,我們又測得點A至另一衛星的距離,則A點一定處在前后兩個圓球相交的圓環上。我們還可測得與第三個衛星的距離,就可以確定A點只能是在三個圓球相交的兩個點上。根據一些地理知識,可以很容易排除其中一個不合理的位置。當然也可以再測量A點至另一個衛星的距離,也能精確進行定位。 以上所說,要實現精確定位,要解決兩個問題:
其一是要確知衛星的準確位置;
其二是要準確測定衛星至地球上我們所在地點的距離。下面我們看看怎樣來做到這點。
GPS導航示意圖
怎樣確知衛星的準確位置
要確知衛星所處的準確位置。首先,要通過深思熟慮,優化設計衛星運行軌道,而且,要由監測站通過各種手段,連續不斷監測衛星的運行狀態,適時發送控制指令,使衛星保持在正確的運行軌道。將正確的運行軌跡編成星歷,注入衛星,且經由衛星發送給GPS接收機。正確接收每個衛星的星歷,就可確知衛星的準確位置。
這個問題解決了,接下來就要解決準確測定地球上某用戶至衛星的距離。衛星是遠在地球上層空間,又是處在運動之中,我們不可能象在地上量東西那樣用尺子來量,那么又是如何來做的呢?
如何測定衛星至用戶的距離
我們過去都學過這樣的公式:時間X速度=距離。我們也從物理學中知道,電波傳播的速度是每秒鐘三十萬公里,所以我們只要知道衛星信號傳到我們這里的時間,就能利用速度乘時間等于距離這個公式,來求得距離。所以,問題就歸結為測定信號傳播的時間。
要準確測定信號傳播時間,要解決兩方面的問題。一個是時間基準問題。就是說要有一個精確的時鐘。就好比我們日常量一張桌子的長度,要用一把尺子。假如尺子本身就不標準,那量出來的長度就不準。另一個就是要解決測量的方法問題。
時間基準問題
GPS系統在每顆衛星上裝置有十分精密的原子鐘,并由監測站經常進行校準。衛星發送導航信息,同時也發送精確時間信息。GPS接收機接收此信息,使與自身的時鐘同步,就可獲得準確的時間。所以,GPS接收機除了能準確定位之外,還可產生精確的時間信息。
測定衛星信號傳輸時間的方法
為了避免采用過多的技術術語,我們先作一個不太恰當的比喻。我們在所處的地點和衛星上同時啟動錄音機來播放“東方紅”樂曲,那么,我們應該能聽到一先一后兩支“東方紅”的曲子(實際上,衛星上播放的曲子,我們不可能聽見,只是假想能夠聽到),但一定是不合拍的。為了使兩者合拍,我們延遲啟動地上錄音機的時間。當我們聽到兩支曲子合拍時,啟動錄音機所延遲的時間就等于曲子從衛星傳送到地上的時間。當然,電波比聲波速度高得多,電波也不能用耳朵來接收。所以,實際上我們播送的不是“東方紅”樂曲,而是一段叫做偽隨機碼的二進制電碼。延遲GPS接收機產生的偽隨機碼,使與接收到衛星傳來的碼字同步,測得的延遲時間就是衛星信號傳到GPS接收機的時間。至此,我們也就解決了測定衛星至用戶的距離。當然,上面說的都還是十分理想的情況。實際情況比上面說的要復雜得多,所以我們還要采取一些對策。例如:電波傳播的速度,并不總是一個常數。在通過電離層中電離子和對流層中水氣的時候,會產生一定的延遲。一般我們這可以根據監測站收集的氣象數據,再利用典型的電離層和對流層模型來進行修正。還有,在電波傳送到接收機天線之前,還會產生由于各種障礙物與地面折射和反射產生的多徑效應。這在設計GPS接收機時,要采取相應措施。當然,這要以提高GPS接收機的成本為代價。 原子鐘雖然十分精確,但也不是一點誤差也沒有。GPS接收機中的時鐘,不可能象在衛星上那樣,設置昂貴的原子鐘,所以就利用測定第四顆衛星,來校準GPS接收機的時鐘。我們前面提到,每測量三顆衛星可以定位一個點。利用第四顆衛星和前面三顆衛星的組合,可以測得另一些點。理想情況下,所有測得的點,都應該重合。但實際上,并不完全重合。利用這一點,反過來可以校準GPS接收機的時鐘。測定距離時選用衛星的相互幾何位置,對測定的誤差也不同。為了精確的定位,可以多測一些衛星,選取幾何位置相距較遠的衛星組合,測得誤差要小。在我們提到測量誤
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