用了这么久的GPS系统 你真的知道它是怎么运行的吗？

GPS卫星测量的作者、缅因州大学空间信息科学系教授阿尔弗雷德·莱克为我们提供了GPS是如何工作的答案。

全球定位系统(GPS)由24颗运行中的卫星和若干备用卫星组成。一些备用卫星也在使用中，一旦运行中的卫星发生故障这些备用卫星随时就可以启动。考虑到这么多卫星的特定轨道，观测者在任何时候都能在地球上的任何地方看到至少四颗卫星。

使用GPS的方法是复杂的，但复杂的程度取决于所需的定位精度和速度。举个简单的例子，假设卫星的轨道位置可以在任何时候精确计算到相对于地球的位置，进一步假设，地面上的GPS接收器可以同时测量至少三颗卫星与接收器之间的距离，通过用三个坐标(如纬度、经度和高度)来定义接收器的位置，就可以很容易地写出三个方程，将三个距离观测值与卫星的已知坐标和接收器的未知坐标联系起来，这三个方程就可以解出这三个未知数。

接收器与卫星的距离是通过卫星传送的定时信号来测量的，这些卫星以光速向地面的接收器传送定时信号。由于光速速度非常快，卫星信号传输的瞬间、以及接收器天线信号接收的瞬间都需要精确的记录，以保证距离和位置计算的准确性。卫星自身实际上携带着原子钟。相比之下，接收器配备着廉价的钟，因此不够精确，所以当接收器记录到达的卫星信号时，我们必须要考虑到发生的时间误差。由于所有卫星到达接收机的信号都是同时测量的，所以距离测量都会受到接收器时钟误差造成的影响，为了确定准确的位置，这个误差必须计算。完全确定接收器的位置需要四个未知数：接收器时钟误差和接收机的三个坐标。通过测量至少4颗卫星的距离，我们可以建立4个方程来解决这4个未知数。这就要求建立一个真正的全球定位系统，需要在任何时间从地球上的任何地方看到至少四颗卫星。在实践中，接收器会观察所有它可以观察到的卫星，以最佳确定估计接收器的时钟和位置。上面描述的解决方案通常称为导航解决方案，这种类型的计算几乎运用在所有接收器中，包括廉价的手持设备。除了确定位置之外，时间的精确度还可以超过一微秒，因此，GPS接收器对于远程时钟间的时间同步非常有价值，时间同步是现代网络、电话、电视广播等多种方式通信的重要组成部分。

仔细观察其基础理论和技术，不难发现GPS定位并不简单。对于那些使用GPS走南闯北的徒步旅行者和驾车者来说，他们可能对GPS没什么兴趣，但对科学家来说，GPS是一种用途广泛的实用工具，应用范围从电离层和对流层研究到地壳变形。对于工程应用来说，GPS应用的范围同样很广，GPS已经真正成为一个全国性的公用设施。