第四单元 电子系统 4.2 全球定位系统

何为GPS？
    GPS代表“全球定位系统”。它是目前唯一能够全天候、随时随地指示出你在地球上精确位置的系统。总数为24颗的GPS卫星位于地球上空11,000海里的轨道处。这些卫星由世界各地的地面站不间断地进行监控。卫星发射的信号可被任何持有GPS接收器的人检测到。使用GPS接收器, 你能够非常精确地确定自己的位置。
    GPS是历史上最振奋人心、最具开创性的发明之一。GPS的新用途正在不断涌现。在深入理解GPS之前，需要多了解点关于“导航”的知识。
何为导航？
    从史前时期开始，人类就不断地寻找确定自身位置、可用作向导的可靠方法。当穴居人出去打猎时，他们很可能用石头、树枝在行进的路上做标记。为了不迷路，最早的水手靠着海岸航行。当水手开始在广阔的海洋上航行时，他们发现可以依据星星绘制航行海图。古代的腓尼基人曾在北极星的引导下从埃及和克利特岛出发航行。按照荷马的说法，女神雅典娜告诉奥德修斯离开卡吕普索的小岛后要“保持大熊星座在左侧”。然而，星星只有在晴朗的夜晚才能看见。
    在追寻理想导航方法的过程中，接下来的重大进展是磁性罗盘和“六分仪”。罗盘的指针永远指向北方，因此总可以知道你在朝哪个方向行进。
    “六分仪”使用可以调整的镜子来精确测量日、月、星辰和海平面之间的夹角。然而，在使用“六分仪”的早期，通过“六分仪”的观测，仅仅能够确定纬度（南北方向测量的地球表面位置）。水手们尚不能确定他们所在的经度（东西方向测量的地球表面位置）。17世纪，这个问题得到了重视，英国人成立了一个由知名科学家组成的“经度专门委员会”。
    当时，凡是能够找到“在30海里内确定船只经度”方法的人，会获得该组织提供的20,000英镑（大约相当于今天的一百万美元）。这种方法获得了成功。1761年，一名叫约翰·哈里森的木匠发明了一种船用时钟——“记时计”。“记时计”一天的误差只有大约１秒——这么高的精确度在当时简直难以置信。在接下来的两个世纪中，“六分仪”和“记时计”联合使用，提供经、纬度信息。
    在20世纪早期，几种无线电导航系统开发出来了，并广泛应用于第二次世界大战之中。随着技术的进步，盟军及其敌军的舰只上全部使用了“地基无线电导航系统”。
    今天，有些“地基无线电导航系统”仍在使用。“使用地面发射的无线电波”存在一个缺点，那就是必须在两种系统中选择——“精确度高、覆盖面窄”的系统和“覆盖面广、精确度低”的系统。高频无线电波（如超高频电视信号）能够准确地确定位置，但只能在面积不大的局部区域才能够接收到。频率低些的无线电波（如调幅波）能够覆盖的面积要大些，但却不是一种很好的、提供准确位置信息的“码尺”。
    因此，科学家们得出结论——只有将高频无线电信号发射器置于太空，才能提供全球覆盖。由地球上空发射器发出的、携带特殊编码信号的高频无线电波能够覆盖一个很大的区域，这种高频无线电波在抵达地球的途中还能够克服大部分“噪声”。这就是GPS系统的主要原理之一。
GPS的构成
    GPS由太空部分、用户部分和控制部分构成。太空部分由24颗卫星组成，每一颗卫星均位于地球上空11,000海里处的轨道。用户部分由接收器组成，这些接收器既可以手持，也可以安装在汽车内。控制部分由地面站组成（5座位于世界各地的地面站），确保卫星正常工作。
    在太空中绕地球一圈就是轨道长度。GPS卫星围绕地球一圈需要12个小时。每颗卫星都装备了精确的时钟，发射信号的同时发射精确的时间消息。地面部分接收光速传播的卫星信号。尽管以光速传播，信号抵达接收器也需要花费一定时间。
    信号发送、信号接收之间的时间差乘以光速，就可计算得出接收器和卫星之间的距离。为了精确测量经度、纬度，接收器需要分别测量4颗卫星发射的信号到达该接收器所花费的时间。
    GPS系统能够告知——你在地球表面的位置或者你在地球上空300英尺范围内的位置。通过已知固定位置处的GPS接收器进行校正计算，能够获得更好的准确度——通常在3英尺范围内。
1. 太空卫星
    我们已经谈到：GPS太空系统包括24颗卫星，位于距地11,000海里轨道处，每隔12小时绕地一圈。这些卫星的位置能够确保在地球表面任意地点几乎所有时刻都能够接收6颗卫星发送的信号。为了获得准最佳的位置信息，就需要这么多信号。
    卫星上装备着高精确度时钟，时间准确度可达3纳秒以内。准确计时是非常重要的，因为接收器必须准确地知道信号到达每一颗卫星并返回所用的时间。通过了解信号从每一颗卫星返回所用的准确时间，接收器能够计算出自己所在的位置。
    第一颗GPS卫星发射于1978年。前10颗卫星是试验卫星（称作“Block I”）。1989年至1993年，又发射了23颗成果卫星（称作“BlockII ”）。1994年发射了第24颗卫星，形成了完整的系统。
2. 地面控制站
    GPS系统的地面控制部分包括：（1）多个“地面无人监控站”——位于太平洋的“夏威夷岛”（Hawaii）和“夸贾林环礁”（Kwajalein）；位于印度洋的“迪戈加西亚岛”（Diego Garcia）；位于大西洋的“阿森松岛”（Ascension Island）；位于美国科罗拉多州的“科罗拉多泉城”（ColoradoSprings）；（2）一个“地面主控站”——位于科罗拉多泉城的美国“法尔孔空军基地”（FalconAir Force Base）；（3）四个大型“地面天线站”——负责向卫星发射信号，并跟踪、监控GPS卫星。
3. GPS接收器
    GPS接收器既可手持，也可安装在飞机、轮船、坦克、潜艇、汽车、卡车上。接收器对GPS卫星信号进行监测、译码和处理。典型的手持接收器有手机大小，更新型号的接收器更小。
GPS的工作原理
    先让我们讨论一下GPS系统的基本特点，然后你就能够更加轻松地理解GPS工作的一些科学原理。GPS系统原理就是测量接收器和卫星之间的距离。卫星告知我们它们在各自轨道上的准确位置。其工作原理是——如果我们知道自己和太空中卫星的准确距离，就可知道我们位于半径为到卫星距离的虚拟球面上的某个点。如果我们知道自己和２颗卫星间的准确距离，我们就知道我们位于两球面相交的交线上的某个点。如果我们再找一颗卫星进行测量，就仅有2个可能的定位地点。而其中一个地点通常是不可能的，GPS接收器用数学方法去除那个不可能的位置。
GPS在日常生活中的应用
    GPS系统是为了满足国防部的军事需求而研发的，人们却不断地发现GPS的新用途。如前所述，GPS系统已经用于飞机和轮船。然而，GPS的其它用途还有许多，这里仅举几例。
    1. 在英吉利海峡海底隧道的建设中，英方工作人员和法方工作人员沿相反方向开始挖掘（一方从英国的多佛，另一方从法国的加来）。他们依靠隧道外的GPS接收器在向前推进中核对位置，确保在隧道中点准确对接。要不是依靠GPS，隧道可能就会被挖成弯弯曲曲的。
    2.车辆跟踪是一种高速增长的GPS应用。装备GPS的船队、公共交通系统、送货卡车和快递服务使用GPS接收器随时监测它们的位置。
    3.GPS也用来拯救生命。许多警务、消防和急救部门用GPS接收器确定离突发事件最近的警车、救火车和救护车，这使得在生死攸关的情况下能做出尽可能迅速的反应。
    4.汽车生产商为新型汽车选配由GPS接收器导航的移动地图显示器。这些显示器能够拆下来、拿回家进行旅行计划。
    5.勘探公司和测绘公司广泛使用GPS。在野生动物管理中, 蒙大纳麋鹿和莫哈韦沙龟等濒危物种佩戴上GPS接收器和微型发射机，以便确定其数量分布模式和可能致病源。
    6.装备了GPS的气球在监测两极地区上空的臭氧层空洞。使用GPS接收器也可监测空气质量。溢油跟踪浮标使用GPS发送数据。
    7.考古科学家和探险家也使用GPS系统。只要装备一个GPS接收器，人人都能够参照它找到下一个位置。假如在野营旅行中，你和伙伴们一时迷了路，只要具备基本数学知识和科学知识，再加上一个手持GPS接收器，你们立刻又成为勇士了。
    GPS的未来不可限量。随着技术进步，新的应用将会不断出现。GPS卫星恰似天上星辰，引领你我、走向未来。