GPS的工作原理，簡單地說來，是利用我們熟知的幾何與物理上一些基本原理。首先我們假定衛(wèi)星的位置為已知，而我們又能準(zhǔn)確測定我們所在地點(diǎn)A至衛(wèi)星之間的距離，那么A點(diǎn)一定是位于以衛(wèi)星為中心、所測得距離為半徑的圓球上。進(jìn)一步，我們又測得點(diǎn)A至另一衛(wèi)星的距離，則A點(diǎn)一定處在前后兩個圓球相交的圓環(huán)上。我們還可測得與第三個衛(wèi)星的距離，就可以確定A點(diǎn)只能是在三個圓球相交的兩個點(diǎn)上。根據(jù)一些地理知識，可以很容易排除其中一個不合理的位置。當(dāng)然也可以再測量A點(diǎn)至另一個衛(wèi)星的距離，也能精確進(jìn)行定位。 以上所說，要實(shí)現(xiàn)精確定位，要解決兩個問題： 其一是要確知衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置； 其二是要準(zhǔn)確測定衛(wèi)星至地球上我們所在地點(diǎn)的距離。下面我們看看怎樣來做到這點(diǎn)。 GPS導(dǎo)航示意圖 怎樣確知衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置 要確知衛(wèi)星所處的準(zhǔn)確位置。首先，要通過深思熟慮，優(yōu)化設(shè)計衛(wèi)星運(yùn)行軌道，而且，要由監(jiān)測站通過各種手段，連續(xù)不斷監(jiān)測衛(wèi)星的運(yùn)行狀態(tài)，適時發(fā)送控制指令，使衛(wèi)星保持在正確的運(yùn)行軌道。將正確的運(yùn)行軌跡編成星歷，注入衛(wèi)星，且經(jīng)由衛(wèi)星發(fā)送給GPS接收機(jī)。正確接收每個衛(wèi)星的星歷，就可確知衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置。 這個問題解決了，接下來就要解決準(zhǔn)確測定地球上某用戶至衛(wèi)星的距離。衛(wèi)星是遠(yuǎn)在地球上層空間，又是處在運(yùn)動之中，我們不可能象在地上量東西那樣用尺子來量，那么又是如何來做的呢？ 如何測定衛(wèi)星至用戶的距離 我們過去都學(xué)過這樣的公式：時間X速度=距離。我們也從物理學(xué)中知道，電波傳播的速度是每秒鐘三十萬公里，所以我們只要知道衛(wèi)星信號傳到我們這里的時間，就能利用速度乘時間等于距離這個公式，來求得距離。所以，問題就歸結(jié)為測定信號傳播的時間。 要準(zhǔn)確測定信號傳播時間，要解決兩方面的問題。一個是時間基準(zhǔn)問題。就是說要有一個精確的時鐘。就好比我們?nèi)粘Ａ恳粡堊雷拥拈L度，要用一把尺子。假如尺子本身就不標(biāo)準(zhǔn)，那量出來的長度就不準(zhǔn)。另一個就是要解決測量的方法問題。 時間基準(zhǔn)問題 GPS系統(tǒng)在每顆衛(wèi)星上裝置有十分精密的原子鐘，并由監(jiān)測站經(jīng)常進(jìn)行校準(zhǔn)。衛(wèi)星發(fā)送導(dǎo)航信息，同時也發(fā)送精確時間信息。GPS接收機(jī)接收此信息，使與自身的時鐘同步，就可獲得準(zhǔn)確的時間。所以，GPS接收機(jī)除了能準(zhǔn)確定位之外，還可產(chǎn)生精確的時間信息。 測定衛(wèi)星信號傳輸時間的方法 為了避免采用過多的技術(shù)術(shù)語，我們先作一個不太恰當(dāng)?shù)谋扔鳌Ｎ覀冊谒幍牡攸c(diǎn)和衛(wèi)星上同時啟動錄音機(jī)來播放“東方紅”樂曲，那么，我們應(yīng)該能聽到一先一后兩支“東方紅”的曲子（實(shí)際上，衛(wèi)星上播放的曲子，我們不可能聽見，只是假想能夠聽到），但一定是不合拍的。為了使兩者合拍，我們延遲啟動地上錄音機(jī)的時間。當(dāng)我們聽到兩支曲子合拍時，啟動錄音機(jī)所延遲的時間就等于曲子從衛(wèi)星傳送到地上的時間。當(dāng)然，電波比聲波速度高得多，電波也不能用耳朵來接收。所以，實(shí)際上我們播送的不是“東方紅”樂曲，而是一段叫做偽隨機(jī)碼的二進(jìn)制電碼。延遲GPS接收機(jī)產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼，使與接收到衛(wèi)星傳來的碼字同步，測得的延遲時間就是衛(wèi)星信號傳到GPS接收機(jī)的時間。至此，我們也就解決了測定衛(wèi)星至用戶的距離。當(dāng)然，上面說的都還是十分理想的情況。實(shí)際情況比上面說的要復(fù)雜得多，所以我們還要采取一些對策。例如：電波傳播的速度，并不總是一個常數(shù)。在通過電離層中電離子和對流層中水氣的時候，會產(chǎn)生一定的延遲。一般我們這可以根據(jù)監(jiān)測站收集的氣象數(shù)據(jù)，再利用典型的電離層和對流層模型來進(jìn)行修正。還有，在電波傳送到接收機(jī)天線之前，還會產(chǎn)生由于各種障礙物與地面折射和反射產(chǎn)生的多徑效應(yīng)。這在設(shè)計GPS接收機(jī)時，要采取相應(yīng)措施。當(dāng)然，這要以提高GPS接收機(jī)的成本為代價。 原子鐘雖然十分精確，但也不是一點(diǎn)誤差也沒有。GPS接收機(jī)中的時鐘，不可能象在衛(wèi)星上那樣，設(shè)置昂貴的原子鐘，所以就利用測定第四顆衛(wèi)星，來校準(zhǔn)GPS接收機(jī)的時鐘。我們前面提到，每測量三顆衛(wèi)星可以定位一個點(diǎn)。利用第四顆衛(wèi)星和前面三顆衛(wèi)星的組合，可以測得另一些點(diǎn)。理想情況下，所有測得的點(diǎn)，都應(yīng)該重合。但實(shí)際上，并不完全重合。利用這一點(diǎn)，反過來可以校準(zhǔn)GPS接收機(jī)的時鐘。測定距離時選用衛(wèi)星的相互幾何位置，對測定的誤差也不同。為了精確的定位，可以多測一些衛(wèi)星，選取幾何位置相距較遠(yuǎn)的衛(wèi)星組合，測得誤差要小。在我們提到測量誤