GPS接收者如何工作

经过:马歇尔的大脑汤姆哈里斯

GPS接收器利用卫星来确定位置。查看更多必备小工具图片Stocktrek Images / Getty Images

我们的祖先不得不采取极端措施,以免迷路。他们竖立了巨大的地标,艰难地起草了详细地图并学会了阅读星星在夜空中。

今天的事情好多了。不到100美元,你就能买到一个口袋大小的小玩意儿,它能准确告诉你你的位置地球任何时候。只要你有一个GPS接收器和明确的天空观,你永远不会再丢失了。

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在这篇文章中,我们将发现这些便捷的指南是如何实现这个惊人的技巧的。正如我们将看到的,全球定位系统是庞大的,昂贵的,涉及很多技术独创性,但工作的基本概念是相当简单和直观的。乐动-软件

人们说的" GPS "通常指的是GPS接收器。的全球定位系统全球定位系统实际上是一个星座27个地球轨道卫星(运转中24台,故障3台)。美国军方开发并实施了这个卫星网络作为军事导航系统,但很快就向其他所有人开放了。

这些3000到4000磅重的太阳能卫星每一颗都以12000英里(19300公里)的速度环绕地球,每天绕地球两圈。这些轨道的安排使地球上的任何地方,任何时间,至少有四颗卫星在天空中“可见”。乐动体育网站5.0

GPS接收器的工作是定位四颗或四颗以上的卫星,计算出它们之间的距离,然后利用这些信息推断出它们自己的位置。乐动体育网站5.0这个运算是基于一个简单的数学原理叫做三边测量。三维空间中的三边可以有点棘手,所以我们将从简单的二维三边解释开始解释。

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2-D三边

想象一下你在美国的某个地方,你完全迷路了——不管什么原因,你完全不知道自己在哪里。你找一个友善的当地人问:“我这是在哪儿?”他说"你在爱达荷州博伊西625英里处"

这是一个很好的,难事位,但它并不是特别有用的。你可以在胸部周围的圆圈上的任何地方,那里有625英里的半径,如下所示:

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你问别人你在哪里,她说,“你离明尼苏达州的明尼阿波利斯市690英里。”乐动体育网站5.0现在你有进展了。如果你把这个信息和博伊西信息结合起来,你会得到两个相交的圆。现在你知道你一定在这两个交叉点中的一个,如果你离博伊西625英里,离明尼阿波利斯690英里。

如果第三个人告诉您亚利桑那州图森615英里,您可以消除其中一个可能性,因为第三个圆圈只会与其中一个分开相交。乐动体育网站5.0你现在确切地知道你在哪里 -科罗拉多州丹佛市

同样的概念也适用于三维空间,但你要处理的是乐动体育网站5.0球形而不是圈子。在下一节中,我们将查看这种类型的三边。

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3 d三边测量

此内容在此设备上不兼容。

从根本上说,三维三位一体和二维三位一体并没有太大的区别,但要形象化就有点难了。想象一下,前面例子中的半径向各个方向延伸。所以不是一系列的圆,而是一系列的球体。

如果你知道你距离天空中的卫星A 10英里,你可能在一个巨大的,想象的半径为10英里的球体表面的任何地方。如果你也知道你距离B卫星15英里,你可以将第一个球体与另一个更大的球体重叠。这些球体相交成一个完美的圆形。如果你知道到第三个卫星的距离,你就得到了第三个球面,它与这个圆相交于两点。

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地球本身可以扮演第四个球体的角色——两个可能的点中只有一个会在地球表面,所以你可以在太空中消除一个。然而,接收器通常需要四颗或更多的卫星,以提高准确性并提供精确的高度信息。

为了使这个简单的计算来说,GPS接收器必须知道两件事:

  • 你至少有三颗卫星的位置
  • 你和每个卫星之间的距离

GPS接收器通过分析高频,低功率来计算这些东西的两者无线电信号从GPS卫星上。较好的单位有多个接收器,因此它们可以同时接收来自多个卫星的信号。

无线电波是电磁能量,这意味着它们以光速行进(每秒约186,000英里,真空每秒30万英里)。接收器可以弄清楚信号通过定时到达信号到达的时间多长时间。在下一节中,我们将看到接收器和卫星如何共同努力,以进行此测量。

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GPS计算

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GPS卫星
照片提供美国陆军

在前一页中,我们看到GPS接收机通过对信号从卫星到接收机的旅程计时来计算到GPS卫星的距离。事实证明,这是一个相当复杂的过程。

在一个特定的时间(比如午夜),卫星开始传输一个长长的数字模式,称为a伪随机码。接收器也在午夜开始运行相同的数字模式。当卫星的信号到达接收器时,它的模式传输将会滞后于接收器播放模式。

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延迟的长度等于信号的传播时间。接收器将这个时间乘以光速,就能确定信号传播了多远。假设信号沿直线传播,这是从接收器到卫星的距离。

为了进行这一测量,接收机和卫星都需要能够同步到纳秒的时钟。要制作一个只使用同步时钟的卫星定位系统,你需要有原子钟不仅在所有的卫星上,还在接收器本身。但是原子钟的价格在50,000美元到100,000美元之间,这使得它们对于日常消费者使用仅为太昂贵。

全球定位系统巧妙、有效地解决了这一问题。每颗卫星都装有一个昂贵的原子钟,但接收器本身却使用了一个普通的原子钟石英时钟,它会不断重置。简而言之,接收器查看来自四颗或更多卫星的传入信号,并测量自身的误差。换句话说,接收器只能使用一个“当前时间”值。正确的时间值将导致接收机接收到的所有信号在空间中的一个点上对齐。这个时间值是所有卫星原子钟所持有的时间值。所以接收器将它的时钟设置为那个时间值,然后它就会拥有与所有卫星上的原子钟相同的时间值。乐动体育网站5.0GPS接收器可以“免费”获得原子钟的准确性。

当你测量到四个卫星的距离时,你可以画出四个相交于一点的球体。三个球体会相交即使你的数字相差很远,但是四个如果您在错误地衡量时,球体不会在一个点处交叉。由于接收器通过其自己的内置时钟进行所有距离测量,因此距离将全部按比例不正确

接收器可以很容易地计算出使四个球体相交于一点的必要调整。在此基础上,它将重置自己的时钟,使之与卫星的原子钟同步。接收器只要开着就会不停地这样做,这意味着它几乎和卫星上昂贵的原子钟一样精确。

为了让距离信息发挥作用,接收器还必须知道卫星的实际位置。这并不是特别困难,因为卫星在非常高的和可预测的轨道上运行。GPS接收器只存储一个阿尔曼克它会告诉它每个卫星在任何给定时间的位置。比如月亮的引力和太阳卫星的轨道会有轻微的变化,但国防部会持续监控它们的确切位置,并将任何调整发送到所有GPS接收器,作为卫星信号的一部分。

在下一节中,我们将查看可能发生的错误,并查看GPS接收器如何纠正它们。

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差分全球定位系统

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StreetPilot II是一款G乐动体育网站5.0PS接收器,内置地图供司机使用
照片提供Garmin.

到目前为止,我们已经了解了GPS接收器如何根据其从四个位于卫星接收的信息计算其在地球上的位置。这个系统很好地运行,但不准确地弹出。对于一件事,该方法假设无线电信号将以一致的速度(光速)通过气氛。事实上,地球的大气层有点减缓了电磁能量,特别是在通过电离层和对流层。延迟根据您在地球上的位置而异,这意味着难以将其准确地进行准确性计算到距离计算中。当无线电信号反弹大物体时,也可能发生问题,例如摩天大楼,给接收器一种卫星比实际距离更远的印象。最重要的是,卫星有时只会发送糟糕的年历数据,谎报自己的位置。

差分全球定位系统(DGPS)有助于纠正这些错误。其基本思想是在一个已知位置的固定接收站测量GPS的不准确性。由于站内的DGPS硬件已经知道自己的位置,它可以很容易地计算出接收器的误差。然后电台向该地区所有配备dgps的接收器发送无线电信号,提供该地区的信号校正信息。一般来说,获得这些修乐动体育网站5.0正信息会使DGPS接收机比普通接收机更准确。

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GPS接收器的最重要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历代人中的信息组合在一起,所有这些信息都为了弄清任何接收器在地球上的位置。乐动体育网站5.0

一旦接收器进行此计算,它可以告诉您当前位置的纬度,经度和高度(或某些类似测量)。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的地图文件中记忆

您可以使用存储在接收器内存中的映射,将接收器连接到a电脑它可以在内存中保存更详细的地图,或者简单地买一张你所在地区的详细地图,然后使用接收器的经纬度读数找到你的路。有些接收器允许您将详细地图下载到内存中,或者使用插件式地图盒提供详细地图。

一个标准的GPS接收器不仅会把你放在地图上的任何特定位置,而且还会在你移动时追踪你在地图上的路径。如果你让接收器开着,它就可以与GPS卫星保持持续的联系,以查看你的位置是如何变化的。有了这些信息和它的内置时钟,接收器可以给你几条有价值的信息:

  • 你走了多远了你走了多远了里程表
  • 你旅行多久了
  • 当前速度(速度计)
  • 你的平均速度
  • 一条“面包屑”路线,在地图上显示出你去过的地方
  • 如果您维护当前速度,则抵达目的地的估计时间

更多关于GPS接收器和相关主题的信息,请查看下面的链接。

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