你在地球上的哪裡——關於全球定位系統的工作知識

手持全球定位系統裝置如何確定您在地球上的位置——即使在室內

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這個節日季,各種產品都配備了 GPS 接收器,以準確告知消費者他們身處地球上的哪個位置。這些選擇包括用於汽車的儀表板導航儀、用於行人的袖珍導航儀、“高爾夫夥伴”(可顯示高爾夫球手與果嶺和沙坑之間的距離),以及最突出的手機。GPS 應答器現在還跟蹤假釋罪犯、走失的寵物、遷徙的大象和退卻的冰川。

定位衛星發射訊號已有數十年之久,但斯坦福大學航空航天學教授佩爾·K·恩格表示,三個融合因素正在擴大市場。接收器內部所需電路的尺寸已經縮小。電路製造商正以每單位不到 5 美元的價格將該硬體出售給消費電子產品製造商。“而蘋果提供了可見性,”恩格說,“透過將 GPS 放入 iPhone 中。” 買家喜歡它,證明存在這種需求。

儘管個人導航儀非常方便,但多年來,它們的精度一直保持在 5 到 10 米以內。只有在環繞地球的衛星升級後,它們才會得到改進。目前的衛星各自向民用接收器傳送單個射頻訊號,然後接收器將來自四顆衛星的訊號組合起來以確定位置。但是,電離層可能會導致輕微且隨機的延遲,從而在接收器的計算中引入誤差。下一代衛星將各自發送三個頻率略有不同的訊號,為接收器提供消除延遲所需的資料,從而實現小於 50 釐米的精度。第一顆三頻衛星計劃於 2009 年發射。


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平民需要如此高的精度嗎?也許不需要,儘管測量員和科學家需要。恩格認為,更具吸引力的是在大型城市和室內工作效果更好的系統。GPS 在這些地方表現不佳,因為建築物、屋頂和牆壁會阻擋傳入的訊號。所謂的混合或增強型 GPS 接收器(現在已開始部署)也接收來自附近電視、手機或 Wi-Fi(“無線保真”)發射器的廣播,這些廣播為接收器提供有關位置的附加資料。這些廣播可以充滿城市峽谷並穿透建築物。同樣,散佈在摩天大樓中的較小發射器最終將解決長期存在的“垂直問題”,即當前 GPS 無法解決的問題:不僅確定訪客在帝國大廈,而且確定他是在第七層還是第 70 層。

您知道嗎...
再次嘗試:大多數關於 GPS 的通俗描述都說該技術使用三角測量來確定接收器在地球上的位置。從數學上講,該系統使用三邊測量。三角測量透過測量觀察者和三個已知點之間形成的三角形的角度來確定位置。三邊測量透過測量觀察者到三個已知點的距離來確定位置;從 GPS 衛星(已知點)傳送到接收器的定時訊號確定這些距離。

衛星嫉妒:超過 24 顆美國 Navstar 衛星構成了 GPS 系統。儘管它可以為地球上的任何地方提供服務,但一些國家更喜歡獨立。俄羅斯擁有自己的星座系統 GLONASS;它始於冷戰時期,在 2000 年代初期開始衰落,但正在復興。歐洲計劃在 2013 年完成其伽利略系統。中國現在正在發射其北斗硬體。印度希望在 2012 年之前完成 IRNSS——這將僅提供足夠的衛星來覆蓋其區域。日本將漂浮三顆名為 QZSS 的衛星,以增強 GPS 對其領土的覆蓋。

注意:本文最初以標題“你在地球上的哪裡”發表。

馬克·費斯切蒂 曾在《大眾科學》擔任高階編輯 17 年,報道可持續發展問題,包括氣候、天氣、環境、能源、食物、水、生物多樣性、人口等等。他負責委派和編輯記者和科學家的專題文章、評論和新聞,並以這些形式撰寫文章。他編輯“歷史”專欄,該雜誌的部門著眼於整個時代的科學進步。他是兩本衍生雜誌的創始執行主編:《大眾科學思想》《大眾科學地球 3.0》。他 2001 年為該雜誌撰寫的自由撰稿文章“淹沒新奧爾良”預測了像卡特里娜颶風這樣的風暴將給該市帶來的廣泛災難。他的影片 你死後你的身體會發生什麼? 在 YouTube 上的觀看次數超過 1200 萬次。費斯切蒂曾為《紐約時報》、《體育畫報》、《史密森尼雜誌》、《技術評論》、《快公司》和許多其他雜誌撰寫自由撰稿文章。他與全球資訊網的發明者蒂姆·伯納斯-李合著了《編織網路》一書,該書講述了網路是如何建立的真實故事。他還與微生物學家埃莉諾·利維合著了《新型殺手疾病》。費斯切蒂曾任《IEEE Spectrum 雜誌》《家族企業雜誌》的執行主編。他擁有物理學學位,曾兩次擔任路易斯安那州百年學院的阿塔韋公民文化研究員,該學院授予他榮譽博士學位。2021 年,他榮獲美國地球物理聯合會的羅伯特·C·考恩科學新聞持續成就獎,以表彰其在地球和空間科學方面的傑出報道職業生涯。他曾出現在 NBC 的“與媒體見面”、CNN、歷史頻道、NPR 新聞和許多新聞廣播電臺中。在 X(前身為 Twitter)上關注費斯切蒂 @markfischetti

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大眾科學雜誌第 299 卷第 6 期本文最初以標題“你在地球上的哪裡”發表於 《大眾科學雜誌》第 299 卷第 6 期(),第 116 頁
doi:10.1038/scientificamerican122008-5V4lrAycWN0RyBRL7iyEwU
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