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gps定位是如何工作的

當你在一個陌生的城市或野外迷路了，不知道自己身在何方時，應該如何確定自己的位置?我們的遠古祖先會樹立高聳的地標，并且通過白天的太陽以及夜晚的星星來確定方向。后來人們發明了羅盤，學會了制作詳細的地圖，但是離開自己熟悉的地區后仍然容易迷路。

而現在，我們只需要拿出隨身攜帶的智能手機，使用GPS定位功能就能相當精確地知道自己所處位置。GPS也就是全球定位系統，它的背后有著昂貴的設備和強大的技術支持，但是定位的數學原理卻相當地簡單和直觀。

雖然500年前麥哲倫通過環球航行向世人證明了地球是球形，但是我們立足于平坦的大地上，使用平面的地圖。我們通常用東南西北來確定方位，如果我們知道自己相對一些確定地點的方位，就能在地圖上找到我們的位置。比如當前所處位置在家的東邊，學校的西偏北方向，然后你只需要在地圖上畫兩條線，得到的交點就是我們所處的位置。

GPS全球定位系統就是一個空間無線電導航系統，在你頭頂的地球軌道上運轉著很多顆GPS衛星，這些衛星彼此間有著同步的時間，且與地面時間一致。然后衛星通過無線電波不斷地喊出自己的位置和時間，而我們的手機可以“聽到”它們的聲音。

現在讓我們繼續思考前面的定位問題，我們從GPS衛星得到的信息中不知道方向，只能知道衛星的位置和距離。打開平面的地圖，如果我們知道離家和學校的距離，可以在地圖上以家和學校為圓心距離為半徑畫兩個圓，通常情況下它們會有兩個交點，這樣我們如果還知道離游樂園的距離，就可以畫出第三個圓來確定我們的位置。

平面上的圓對應著三維空間的球面，如果你很難想象球與球之間的交點也沒關系，你只需要知道我們需要至少4個球面來確定一個點。雖然地球也可以作為其中一個球面，但是為了更加精確地定位，我們需要隨時隨地“看見”四顆或更多衛星，聽見它們的聲音，因此衛星總數至少是24顆，而現在工作的GPS衛星有30顆以上。

這樣一來我們手機從接受到的GPS衛星無線電信息中得到的時間信息，乘以光速就可以得到我們與衛星的距離，再加上衛星的位置就可以計算得到我們所處的位置。如果我們在開闊地區接收到更多衛星的信號，就能得到更精確的位置，反之如果我們在建筑物特別是電梯里，信號也會變差。

雖然GPS定位的數學原理很簡單，但是實際上衛星和地球都在不斷轉動，如果時間稍有誤差，計算得到的位置就會有很大的錯誤。一個非常有名的誤差便是基于廣義相對論，GPS衛星上的時鐘每天會比地球上時鐘快38微秒，計算位置就會出現10公里的誤差。科學家就需要解決許多技術上的細節問題，保證GPS能夠正確地工作。

除了GPS衛星定位，我們還能通過地球上信號基站等其他方式定位。科技帶來定位能力讓我們出門在外的時候更加有安全感。

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