摘要:從來(lái)沒(méi)有那個(gè)事物像GPS那樣改變了人類(lèi)的生活，你能想象沒(méi)有GPS的生活情境嗎？打開(kāi)GPS，地球上空的衛(wèi)星在幾分鐘之內(nèi)就會(huì)鎖定你的位置，它還會(huì)告訴你行進(jìn)的速度、所處位置的海拔高度……
從來(lái)沒(méi)有那個(gè)事物像GPS那樣改變了人類(lèi)的生活，你能想象沒(méi)有GPS的生活情境嗎？打開(kāi)GPS，地球上空的衛(wèi)星在幾分鐘之內(nèi)就會(huì)鎖定你的位置，它還會(huì)告訴你行進(jìn)的速度、所處位置的海拔高度……一切的一切，在習(xí)以為常之后，你是否覺(jué)得都這些是理所當(dāng)然？
全球定位系統(tǒng)（GPS），最早由美國(guó)政府與70年代建設(shè)，前身是一套專(zhuān)為美軍研制的定位系統(tǒng)，出于軍用考量，為防止敵方通過(guò)定位信號(hào)截獲美軍的位置，定位系統(tǒng)被設(shè)定為單向傳輸，即GPS終端只接受衛(wèi)星信號(hào)而不向外發(fā)射信號(hào)，這一特性也為GPS的民用領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。
目前，世界上可以提供精確定位的全球定位系統(tǒng)共有四種：美國(guó)的GPS定位系統(tǒng)、俄羅斯的格洛納斯（Glonass）定位系統(tǒng)、中國(guó)的北斗定位系統(tǒng)、歐盟的伽利略定位系統(tǒng)。目前美國(guó)的GPS定位系統(tǒng)最為成熟，覆蓋面也最廣。
以美國(guó)GPS系統(tǒng)為例，主要由三部分組成：空間星座，包括21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星；地面監(jiān)控系統(tǒng)，包括1個(gè)主控站、3個(gè)注入站和5個(gè)監(jiān)控站組成；用戶(hù)設(shè)備，即GPS接收機(jī)，主要作用是從GPS衛(wèi)星收到信號(hào)并利用傳來(lái)的信息計(jì)算用戶(hù)的三維位置及時(shí)間。
24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面上，即每個(gè)平面上4顆衛(wèi)星。各個(gè)軌道面都被設(shè)定為特定的角度。這種布局的目的是保證在全球任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻，每個(gè)接收機(jī)至少可以接收到4顆衛(wèi)星的信號(hào)。沒(méi)顆衛(wèi)星每時(shí)每刻都在向全球播報(bào)自己的位置信號(hào)。
既然GPS接收端不向衛(wèi)星發(fā)送任何信息，只是被動(dòng)的接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，而衛(wèi)星只是在播報(bào)自己的位置，那么GPS系統(tǒng)是如何通過(guò)這些數(shù)據(jù)來(lái)確定用戶(hù)的位置的？在這里，就不得不提定位系統(tǒng)中的重中之重——原子鐘與GPS芯片。
如果GPS芯片的作用可以理解的話(huà)，但原子鐘是用來(lái)干嘛的？計(jì)時(shí)的工具怎么會(huì)和定位有關(guān)聯(lián)呢？還是要回到定位原理的話(huà)題上來(lái)，衛(wèi)星在廣播自己位置信息的同時(shí)，會(huì)附上信息發(fā)出的時(shí)間，GPS終端接收到信息后，用當(dāng)前時(shí)間減去發(fā)送時(shí)間，再乘以傳播速度（光速），即可以得出終端與衛(wèi)星的距離。
讀懂衛(wèi)星發(fā)來(lái)的信息并進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，這些既是GPS芯片的核心功能。而為了能精確的測(cè)定接收終端與衛(wèi)星的距離，在光速確定的情況下，時(shí)間必須精準(zhǔn)，原子鐘就是為了保證時(shí)間的精度。因?yàn)闀r(shí)間上再微小的誤差，在乘以光速之后都會(huì)謬以千里。
但為什么是4顆？根據(jù)立體幾何知識(shí)，三維空間中，三個(gè)坐標(biāo)就可以確定一個(gè)點(diǎn)的位置。這樣的話(huà)，只需要3顆衛(wèi)星就足夠了，多出一顆是做什么的呢？但事實(shí)上，要想進(jìn)行定位，必須要四顆。
三顆衛(wèi)星定位只是理想的狀態(tài)下，光速的數(shù)字實(shí)在太大，對(duì)時(shí)間精度有極高的要求，同時(shí)，光速在大氣中也會(huì)受到一定的影響而產(chǎn)生誤差，衛(wèi)星廣播自己的位置也會(huì)有誤差，這些誤差的存在，使得3顆衛(wèi)星不足以保證定位的精度。
根據(jù)愛(ài)因斯坦相對(duì)論，快速移動(dòng)物體隨時(shí)間的流逝比靜止的要慢，衛(wèi)星上的時(shí)鐘就和地球的時(shí)鐘不同步，這樣每天GPS衛(wèi)星都會(huì)產(chǎn)生38微秒的偏差，即每天將會(huì)增大11千米的誤差，這種誤差也必須進(jìn)行補(bǔ)償。
所以，要進(jìn)行的有效的定位，必須引入第四顆衛(wèi)星來(lái)提高定位精度。而在日常生活中，實(shí)際應(yīng)用上的定位衛(wèi)星數(shù)量往往大于這個(gè)數(shù)量，理論上GPS接收機(jī)搜到的衛(wèi)星數(shù)量越多則定位越精準(zhǔn)。
以上是最常用的美國(guó)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)定位原理，我國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與之相比，其原理略有不同，在相關(guān)功能上有所創(chuàng)新，從應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)，相比GPS，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)有著不少獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
與美國(guó)GPS系統(tǒng)類(lèi)似，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段、用戶(hù)段三部分組成。空間段，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)劃由35顆衛(wèi)星組成，包括5顆靜止軌道衛(wèi)星、27顆中地球軌道衛(wèi)星、3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。
地面段由主控站、注入站、監(jiān)測(cè)站組成。主控站用于系統(tǒng)運(yùn)行管理與控制，注入站用于向衛(wèi)星發(fā)送信號(hào)，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行控制管理，用戶(hù)段即用戶(hù)的終端，接收機(jī)需要捕獲并跟蹤衛(wèi)星的信號(hào)，根據(jù)數(shù)據(jù)按一定的方式進(jìn)行定位計(jì)算。
第一代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的定位原理屬于有源定位，需要用戶(hù)終端主動(dòng)發(fā)送信號(hào)，可靠性較差，最新的第二代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已采用了類(lèi)似GPS的無(wú)源定位技術(shù)。即用戶(hù)至少接收4顆衛(wèi)星信號(hào)來(lái)定位。
由于衛(wèi)星數(shù)量多余美國(guó)GPS定位系統(tǒng)，因此北斗定位系統(tǒng)的定位信號(hào)更強(qiáng)，精度也更高。而且北斗定位系統(tǒng)擁有獨(dú)一無(wú)二的短報(bào)文傳訊功能，可用于軍事、救援、科研等許多方面。可同時(shí)解決“我在哪？”和“你在哪？”
近日，國(guó)航天科工信息技術(shù)研究院西安航天華迅公司日前宣布，成功研發(fā)出第四代高性能北斗/GPS導(dǎo)航芯片。該芯片定位精度為2.5米，俘獲靈敏度、跟蹤靈敏度等各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，已經(jīng)超過(guò)了目前GPS的民用定位精度。
