GPS是怎样定位的？

 现在很多轿车都装有GPS，为驾驶和旅行增添了很多方便，并且少走冤枉路，省时间，省汽油。在GPS为我们提供方便的同时，我们也常常纳闷，GPS是怎样定位的呢？

GPS是怎样定位的？

原来，在我们的头顶上空2万零2百公里的中轨道处，有31颗卫星按一定方式分布在六个轨道上，昼夜不停地绕着地球在运转着，就是由这31颗卫星组成的所谓的定位星座为我们提供了定位的原始信息。这些卫星在运行的同时，还时刻不间断地向地球发射着“卫星电文”。电文的信息中包括了发射卫星的编号，发射电文时的瞬时时间以及此时卫星在太空中所处的位置，另外还包括了它们的工作是否正常与否等。在大地测量学与天文专业中，这些信息一般被统称为卫星的“星历”（Ephemeris）。这些载有卫星星历的电文是公开的，免费的。也就是说它们象空气一样时时刻刻弥漫在空间里为人们所公用。任何人只要拥有一个具有捕捉，接收，与处理功能的接收器，就可以根据接收到的卫星电文里所提供的原始数据来计算出自己当时所处的位置。一般来讲，处于地面上的物体，例如装在汽车上的GPS，至少需要三个不同卫星的星历，才可能计算出自己的位置，而对处于地球外围空间中的物体，比如说装在飞机上的GPS，则至少需要四个不同卫星的星历才能计算出自己的位置。同时所能收到的星历越多，则定位精度就越高。根据计算分析，在一个定位星座中需要有24颗卫星，才能保证不管处于地球上的哪个地方，都总能同时接收到至少4个卫星发来的星历。自1978年第一颗GPS卫星发射以来，在目前的GPS定位星座中已陆续积累了31颗可正常运行的在轨卫星，使得大部分地区在任何时候都能同时接收到来自6个到11个卫星发来的电文。

下面简单地说一下为什么需要4个卫星的信息才能确定接收器所处的位置。想象一下，假如您你闭着眼睛漂浮在茫茫无际的宇宙空间里，因为没有任何参照物，你的位置是飘忽不定的。如果你知道了离你比如说100公里远的地方有一个目标，一般我们称之为“锚点”（ANCHOR POINT），通过某种方式，你并且知道这个锚点在宇宙中的确切位置，那么你知道你肯定在以这个锚点为中心的一个半径为100公里的球面上。如果再有一个离你110公里处有另外一个锚点，通过某种方式，你也知道它所处的空间位置，那么你可以肯定你也在以这个第二个锚点为中心的一个半径为110公里的球面上。于是你可以肯定你目前就处于这两个球面所相交的圆上，由于这个圆是一条线而不是一个面，因此你对你所处的位置就更加确切一些，但还不能确定你的确切位置。如果再有第三个锚点，你也同样知道它在宇宙空间中的位置与你离它的距离，那么你所处的位置肯定在这个以第三个锚点为中心的球面上，因为这个球面与你先前所确定的那个已知圆有两个交点。因此，你目前的位置肯定在这两个交点中其中一个交点上。虽然你现在对你所处的位置比较确切了，但还是模棱两可的。如果再有第四个锚点，你也知道它的空间位置与你离开它的距离，那么你就可以确切无疑地知道了你在空间的位置了。如果你在地球的表面上，因为地球的半径与她在宇宙中的位置是事先已知的，因此，地球本身就是所需的第四个锚点，因此通过三个卫星的星历就可以确定您的位置了。

读到这里，您可能会问，那么卫星是通过什么知道自己在任何时刻所处的位置呢？另外，在茫茫的宇宙中，包括地球与太阳等星球在内，一切都是在运动着的，那么卫星的位置又是根据什么来确定的呢？也就是说，用什么来作为“参照系”来确定各个卫星的位置呢？经过研究与观测，科学家们选中了“类星体”（Quazar)来解决参照系的问题。类星体位于离我们几十亿光年的地方，比任何星球离开我们的距离都远，几乎可以认为是处于宇宙的边缘上，由于这样极远的距离，它的任何运动，如果有的话，都感觉不出来，因此可以认为它们相对于宇宙中的星球是静止不动的。类星体另外一个优点是它的亮度极高，大约相当于几十亿个太阳的亮度，因此，虽然远，也是可以通过一种被称之为极远基线干涉仪（VLBI）的天文望远镜观测到的。科学家们通过大量的研究，观测，与计算，确定了上百个类星体的位置，由他们综合出一个宇宙基准坐标来，这样参照系的问题就解决了。为了解决每个定位卫星的确切位置，在GPS的系统中，在世界的各处建立了若干个监测站，来测量每个卫星在宇宙参照系总的位置， （待续）