卫星定位系统是怎么做到精准定位的？工作原理是啥？

很难想象没有卫星定位系统的生活。

早上开车出门时，它帮助我们定位导航；在城市的各条道路上，它帮助我们跟踪管理车辆；危险发生时，它帮助我们锁定救援位置……

只要打开 GPS，卫星定位系统就能够在几分钟之内确定位置，测定出行进的速度、所处位置的经纬度及海拔高度。

那么，你在享受卫星定位系统带来的便利时，是否想过，千里之外的卫星为什么能定位得这么精准？卫星定位系统究竟是怎么工作的？

今天我们就一起来了解一下卫星定位系统的工作原理。

卫星定位系统的组成

想要弄清楚卫星定位系统的工作原理，我们不妨先了解一下卫星定位系统的组成结构。

卫星定位系统主要由三部分组成：空间部分、控制部分、用户设备部分。

空间部分，包括工作卫星和备用卫星。这些卫星在空中连续发送带有时间和位置信息的无线电信号，供GPS接收机接收。

控制部分，包括主控站、注入站和监控站。监测站连续接收 GPS 卫星信号，不断积累数据；主控站根据监控站发来的数据进行系统运行管理与控制，编写导航电文；注入站卫星发送导航电文，对卫星进行控制管理。

用户部分，即 GPS 接收机。主要作用是从 GPS 卫星收到信号并利用传来的信息计算用户的三维位置及时间。

美国GPS定位系统组成结构图卫星定位系统的原理

了解完卫星定位系统的组成结构后，我们发现用户的GPS接收端（例如手机中内置的GPS芯片和天线）不向卫星发送任何信息，只是被动的接收卫星数据。

卫星数据只能告诉接收端卫星的位置，那GPS系统究竟是如何通过卫星数据来确定用户位置的呢？

其实卫星定位系统的原理并不复杂。卫星在向接收端发送自己位置信息时，会附上信息发出的时间，GPS 终端接收到信息后，用当前时间减去发送时间，得到信息传播的时间。用信息传播时间乘信息传播的速度（光速），我们就能得出终端与卫星的距离。

理论上来说，只要我们能得到用户终端与四个不共面卫星的距离，就能在三维空间中确定用户终端所在的位置。

接收端接受卫星信号来确定位置

实际应用中，手机等用户接收端能接收到多颗定位卫星发来的信息。大家如果有兴趣的话，可以在手机中安装类似“GPS雷达”这样的APP，查看一下自己的手机的GPS接收端能接收到哪几颗定位卫星的信号。

卫星定位系统的心脏——原子钟

了解到卫星定位系统的基本原理后，我们可以发现，在卫星定位系统中最核心的部分就是要准确测量卫星信号的传播时间。

失之毫厘，谬以千里。任何一点细微的时间误差乘上光速，得到的距离误差都会被放大很多倍。在卫星导航系统中，1纳秒（十亿分之一秒）的时间误差将导致0.3米的距离误差。

为了尽可能地减小时间误差，在卫星定位系统中我们使用的是目前最精确的时间测量工具——原子钟。

原子会不停地发生振荡，振荡的频率是原子的固有频率，不会受温度和压力的影响改变。原子钟正是利用这一原理制成。

原子钟的精度非常高，数千万年才会差1秒。目前世界上可以提供精确定位的全球定位系统，即美国的 GPS 定位系统、俄罗斯的格洛纳斯定位系统、中国的北斗定位系统、欧盟的伽利略定位系统全部使用了原子钟来测定时间。将原子钟称为卫星定位系统的心脏一点也不夸张。

我国北斗导航卫星上所搭载的星载铷原子钟定义一个位置，至少需要4颗卫星

虽然原子钟能帮助我们减小时间误差，但受限于技术和成本，我们不可能在每个用户接收端都安装原子钟。实际上卫星上安装的是原子钟，而用户接收端则是石英钟，石英钟的精度比起原子钟就差多了。

除此之外，根据爱因斯坦的广义相对论，物体的运动速度将导致其时间弯曲，具体表现在速度越快的物体，其时间变得越慢。广义相对论还认为，大质量物体会导致其周围的时间和空间发生弯曲，具体表现在离大质量物体越近，时间就变得越慢。

GPS卫星相比于地面上的人，距离地球（大质量物体）更远，受到的地球引力略小，基本上GPS卫星上的时钟每天会比地球上时钟快38微秒，即每天将会增大11千米的误差。

了解到这些知识后我们会发现，即使是同一时刻，接收端的石英钟与卫星上的原子钟显示的时间也是不相同的，这种误差会对定位的准确性造成很大影响。

美国的GPS定位系统的24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上，各个轨道面都被设定为特定的角度。这种布局的目的就是保证在全球任何地点、任何时刻，每个接收机至少可以接收到4颗卫星的信号。

GPS定位系统的卫星布局

随着卫星定位技术的不断发展，它的应用领域也越来越宽广。在定位导航、灾害监测、工程建设、海洋开发等各个方面都能大放异彩。

相信在未来，它会给我们带来更多惊喜。

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