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        手機怎么知道我在哪,導航的原理你知道嗎?
        2022-10-31

        如今,人們出門很多時候要靠導航。當我們去一個地方卻不知路線的時候,打開導航,手機就會自動規劃好路線。外賣快遞員利用導航送餐,司機師傅利用導航開車,我們利用導航找到不太熟悉的地方。

        那么,導航的原理是什么呢?要想實現導航,首先需要定位。導航指的是規劃路線,引導我們到達目的地,而定位則是指確定我們的位置。只有定位準了,導航規劃的路線才有意義。那談起手機是如何定位的,就不得不提到全球定位系統。

        全球定位系統(Global Positioning System,GPS)是由美國政府和軍方研發的全球衛星導航定位系統,1994年建成并投入使用。GPS系統由空間段、地面段和用戶段三大部分組成。建成之初,空間段包括24顆衛星,均勻分布在6個不同的軌道面上。地面段是整個系統的管理中心,用戶段即各種接收機,能接收GPS衛星的信號。

        GPS信號能夠給出衛星的位置信息以及信號傳播用的時間,兩者相乘便能測量出距離。理論上來講,一個觀測點同時測量出到任意三顆星的距離,列出一個三元兩次方程便可以求解出觀測點的位置坐標。這就像以每一顆衛星為原點,以測量到的距離為半徑畫球,兩個球面相交形成的是一個圓,三個球面相交形成的是一個點,這個點就是我們的觀測點了。

        實際上,因為有鐘差,3顆衛星定位不準,我們需要觀測4顆星才能準確定位。

        測量傳輸時間需要兩臺高精度原子鐘,一臺在衛星上,另一臺在接收機內部。由于兩臺鐘很難完全對準,很容易使測量的距離有誤差。衛星鐘差可以應用GPS信號所給出的參數加以修正,而接收機的鐘差,一般難以預先準確確定,需要把它作為一個未知參數。因此,在一個觀測點,為了實時求解4個未知參數(即觀測點的3個位置坐標及1個鐘差參數),至少需要同時觀測4顆衛星。

        基于這個原理,只要我們在智能手機上安裝好GPS芯片,芯片能夠接收衛星信號以及解算信息,就能夠確定位置了。

        雖然GPS很好用,但為了國家安全以及經濟社會發展,我們必須建設自己的衛星導航系統,即北斗衛星導航系統。截至目前,北斗系統星座部署已經完成,預計在2020年前后開始向全球提供服務。

        中國始終秉承“中國的北斗,世界的北斗”的發展理念,服務“一帶一路”建設發展,積極推進北斗系統國際合作。未來,我們自己的北斗系統將會在世界舞臺上大放異彩。

        本文由北京郵電大學計算機科學與技術研究專業副教授張忠寶進行科學性把關。

        備注:本文屬作者原創,2019-07-04發表于科普中國-科學為你解疑釋惑欄目http://www.kepuchina.cn/wiki/faq/201907/t20190704_1077744.shtml


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