GPS一切尽在掌握中……

    现如今，GPS的使用范围越来越广泛，航海、飞行、汽车、手机……很多地方都运用到了GPS。而这确实给我们的生活带来很大方便，比如要查询哪个地方，只要轻轻一点，GPS就能告诉你这个地方在哪里，距离你所在的位置有多远，以后到哪里都不用担心迷路了。但是，关于GPS如何实现定位，它是如何立刻知道你目前所在的位置？这个奥秘似乎很多人都似懂非懂。

    GPS工作原理

    让很多人想破脑袋

    对于GPS是如何实现定位的，很多人一直都似懂非懂，好多人都觉得GPS肯定要通过天上的卫星来工作，卫星不断发射信号给地面的GPS，同时也接受来自GPS的信号，然后地面的用户就能知道自己的位置了。那么，这些卫星究竟是怎样计算出地面用户所在的方位呢？天上的卫星总共才那么几颗，而地上的用户成千上万甚至上亿，即使只有其中一小部分同时使用GPS，那这几颗卫星可能在同一时间内，同时运算出那么多地面用户的方位吗？这是一个多大的计算量啊！

    于是有人就猜测，可能不需要卫星来计算方位，应该是卫星把接收到的信号发送给地面的一个终端服务器，就像现在的互联网络一样，有一个终端机，然后这个终端再进行测算，测算完毕再把这个结果发送给GPS的用户。如果真是这样，这个终端服务器也要很大的数据容量吧。

    但专家的答案却出乎我们的意料。其实GPS的定位功能并没有人们想的那么复杂，纯粹是很多人把它想复杂了，事实上GPS的定位方法，用最简单的物理运算就可以计算出来。

    首先，GPS系统要用到卫星是没错的。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统，开始时用到了24颗卫星，但到目前为止，估计已经增加到30多颗了。而这些卫星分布在距离地球表面20200公里的高空之上，它们均匀分布在6个轨道面上，每个轨道面上有4颗，轨道倾角为55°。这些角度和位置都是经过精确计算的，一分一毫都不差。至于为什么要把卫星分布得这么均匀规则，那是因为这些卫星相当于一个坐标，对地面GPS用户计算方位非常重要。

    在每个用户的GPS系统中，都配有一块芯片，这个芯片本身就带有运算方程式，当用户提出一个要求，比如说想寻找自己所在的位置是哪里，那么GPS系统就开始运行，先是搜索天上卫星的位置，看用户所处的位置有几颗卫星存在，并跟踪这些卫星的运行。当捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的距离和距离的变化率，从而计算出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位计算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。一般只要能搜到4颗卫星的信号就可以了，当然，如果能搜索到更多的卫星，那样计算就会更精确。

    所以，在整个GPS定位过程中，并没有我们所说的终端计算器存在，也没有卫星在天上运算的说法，一切尽在用户自己手中仪器的掌握中。

    为什么GPS

    在室内用不起来

    但是，GPS确实存在一个地面控制系统，这个地面控制系统又是做什么的呢？

    原来，GPS系统总共由三个部分组成，一个是空间部分，也就是卫星系统；一个是地面用户设备部分，也就是我们现在手机、汽车等里面用到的部分；还有一个就是地面控制系统，但这个地面控制系统跟我们说的大型计算机终端服务不同，它并不跟单个的用户相关，而是主要用来监控天上的卫星。因为卫星的运行也是受到地面控制的，如果发生一点偏差，对地面用户的定位都会产生很多影响，所以必须要实时对这些卫星进行观测。

    GPS在我们的生活中已经无处不在了，但GPS也并不是无所不能，使用过GPS的人可能也知道，GPS只能在室外使用，而到了室内就无法运行了。这又是什么原因呢？专家解释说，因为GPS在室内的信号不好，接收不到卫星的信号，即使接收得到也最多接收到一两颗，满足不了4颗或以上，那就无法进行定位运算。

    为什么手机在家里能接收到信号，而GPS不可以呢？那是因为GPS系统运用的信号跟手机和收音机的不同，GPS是信号较弱的那种无线电波，比手机中的CDMA的信号还要弱许多。影响无线电波信号强弱的因素有很多，比如电波的频率、功率、编码等等，根据不同的电波，其信号的强弱也就不同。一些信号强的电波是因为它们的穿透力比较强，比如收音机的中波电信号，就能穿透水泥墙体，所以在室内我们也能收听到电台节目。而GPS的信号穿透力就不强，通过墙体后就基本衰减得没有了。并且，因为GPS要能实现定位，必须满足能同时搜索到4颗卫星，而手机等接收信号就不用那么多。

    那么，为什么不把GPS的信号也设置为像收音机或手机那种穿透力强的信号呢？这是因为像收音机这样的电波的使用已经基本上饱和了，而且都挤在同一类型的电波下，信号也容易相互干扰，并且无线电波的使用都有国际规范的，一个电波的使用要经过相关管理委员会的批准才能使用，为此全世界和各个地区都设有无线电管理委员会，一个无线电的推广使用都要经过层层审核通过。

    哪些国家

    在研究卫星导航系统

    那么，有没有办法可以让GPS这样的无线电波也能穿透墙壁呢？答案是否定的。不过，虽然目前人们还没有找到这种办法，但是不代表将来也不能。而且想要在封闭或半封闭的空间内实现定位，也不一定只能从信号上寻找突破口，还可以有其他办法。

    比如在美国，有一些地方就使用人们所说的一个终端机的方法，就是计算定位的工作交给一个公用的服务器计算，而每个用户手里拿的相当于一个联网电脑，如果想知道自己在哪里或者想到哪里去，就把要求发送给终端，让终端计算好后再发送过来。不过这样的服务就存在一个隐私问题，那就是你的行踪绝对暴露在别人眼皮底下。所以这样的服务还只能用在公共服务上，对于私人来说可能就不太适用。

    GPS的计算有简单和复杂之分。普通的用户，比如我们日常生活所用的手机或汽车GPS定位计算都是比较简单的，所以精确度也就比较低，一般精确的范围要在十米左右；而对于一些需要精确计算的定位导航，就要复杂多了，比如在测绘工作中，要测量两个地方之间的距离，肯定要精确到厘米范围内的，而这时用到的参数就更多了，所以在测绘过程中，定位的参考坐标除了有天上的卫星外，一般还有地面的基准站，而计算模式也更复杂。比如它会把卫星信号的波长振荡规律也计算进来，比如在1秒钟内，卫星信号传输到接收机上的波振荡了多少次，这些数据也都会影响到定位的数据。而普通民用的定位就不需要这么精确了。

    现在很多国家自己研发卫星导航系统，一方面是为了使得卫星导航技术有更好的发展，另一方面也是担心美国的垄断。因为你想，现在我们的生活中有多少方面是在用国外的系统，电信、水利、测绘、渔业、交通运输、森林防火等等，都用的是GPS，而GPS系统中用到的东西都是美国制造的，即使是用户端的设备，其核心的芯片设计大部分也来自进口，国产的很少，而且成本很高。万一哪天美国单方面停止给全世界使用，那将会给世界带来多大的损失？所以很多国家也都在自己开发导航系统。

    俄罗斯的GLONASS全球导航卫星系统在苏联时期已经研发了，不过因为苏联解体，经费不够，项目开发的就不如美国，卫星主要覆盖在自己国家那一块，想要全球使用还不太方便。欧洲的伽利略系统是从2005年开始研发的，日本也开始研发区域性的卫星导航系统，但这种系统还是要借助美国的GPS。