详解GPS工作原理

详解GPS工作原理

开车最难过的就是迷路。不过自从有了GPS，很多道路问题都能迎刃而解，它可以部署在汽车导航系统或便携式导航设备里，也可以部署进汽车中控台，甚至是车主的智能手机里，只需打开地图，你就能轻松的知道自己在什么位置。不过，如果汽车导航界面做的比较粗糙，输入数据就会比较麻烦，特别是在驾驶汽车的过程中，会很难完成地址的输入操作。

本文将给大家介绍下什么是GPS，它可以为汽车做些什么，未来它又会有哪些可能的用途。GPS会让你更加安全地驾驶，帮助你了解周边交通情况，寻找附近的服务，甚至还可以帮助商店推销服务。

GPS是如何工作的（可能比你想知道的还要多）

从1994年开始，地球上空就出现了24颗GPS卫星，他们被分成了六组，在1.3万英尺的高空中围绕地球飞行。它们是同步轨道卫星，但并不是静止的，而是以每小时8千英里的速度从西向东飞行，每天可以绕地球两次。每颗卫星上搭载了原子钟，并且不断报告：伪随机码：每颗卫星的ID

星历数据：当前日期和时间，卫星是否健康或不健康（“不健康”可能意味着卫星正在重新定位或重新校准，不是指它飞走了）年鉴数据：定位卫星在什么时间到达什么位置的数据（每个GPS 卫星都有年鉴数据）

GPS内部的接收器会从卫星捕捉到达时间（TOA）和飞行时间（TOF）。给定光速（恒定），以及信号在什么时候、什么地方发生，GPS接收器便会计算出你的车、你的便携式导航仪、徒步GPS，或是智能手机在地球上哪个位置。当设备沿着高速公路移动，它还会计算行驶速度和罗盘航向，不过GPS的速度通常会比汽车里程表显示的时速慢几英里。行驶数据会呈现在导航系统里。卫星信号从地球大气层从

40-600英里高空穿过电离层，会产生延迟；而GPS系统会应用校正因子。

一般而言，我们需要三个GPS信号来确定（三角定律）接收器的位置，然后用第四个信号来计算高度。当然，接收器接收的卫星数量越多（最多应该是十二个，因为一共二十四颗卫星，另外十二个在地球的

另一边），定位的质量就会越高。如果原子时钟不准确，或是其他不准确的信息进入，GPS可以进行修正。

第一颗GPS卫星是在1978年发射升空的，目前很多GPS卫星都能很好地运行，工作时间长达十年。他们的重量约为2千磅（按地球上重量计），如果算上支持卫星动力的太阳能电池板的话，长度可以达到17英尺。这些卫星的发射器能超过产生不到50瓦特的输出，当然，很多新的卫星也在开发，发射，全世界很多国家现在都有自己的GPS卫星。

更加新一些的GPS系统（接收器在地球上）定位会更加准确，而且能够定位更小的对象，价格也更便宜，它们甚至还能定位室内GPS 接收器。美国国防部高级研究计划局曾经展示过一个芯片，它比一美分硬币还要小，但是却内置了三个陀螺仪，三个加速度计，以及一个内置时钟（见上图）。还有其他一些研究人员开发了很多技术，目的是提升GPS计时功能和卫星时钟的准确度。这些研究的主要目的，是让昂贵的

GPS系统能够进一步提升准确度，并且能够把这种准确度应用在普通人的汽车中控系统里面。

GPS接收器有多准确？

GPS一开始军事卫星系统，主要是希望提升飞机，潜艇，以及其他武器设备的定位准确度。直到2000年，GPS才实现了民用化，但是精确度有些降低。发送给非军事用户的未加密的时间信号会随机抵销，让定位误差在100米左右。人们这种情况称为选择可用性（SA），当你定位一辆汽车，也许它的实际位置可能会和你有一到两个街区那么远。

差分GPS技术的开发，使用了基于地面参考站来纠正精准度，这种技术可以将SA信号定位在15米范围内，大约2到3辆汽车的长度，如果在最好的情况下，其精准度甚至可以达到10厘米或四英寸，这种情况已经非常不错了，它甚至可以用来测试定位桩是否足够准确。与此同时，美国联邦航空局、海岸警卫队、以及交通运输部却要求停止使用SA信号。2000年，时任美国总统的比尔克林顿命令提升民用GPS质量，不再允许所谓的“选择可用性”，美国政府的GPS网站上说，“美国没有意图再使用选择GPS可用性了。”

如今，汽车内的GPS接收器可以精准定位到10至15米的范围，而且其中的卫星接收器模块成本也只有几美元而已。单独的GPS接收器，精准度可以达到3米范围，如果你使用的是价格更贵，质量更好的

卫星接收器模块，甚至可以精准定位到几厘米的范围。美国天宝公司推出的Total Station GPS系统，售价高达2.5万美元，它的精准度可以控制在一英寸范围内。这意味着在高精度GPS系统的控制下，你甚至可以远程控制道路施工设备，整平并修整地面，最终铺设一条公路出来。

如果你有一个老式汽车导航系统，它的定位精准度大概在15米范围左右，那么这个导航系统会做些小把戏。如果你的高速公路上向北行驶，附近没有其他道路，位置图标会与道路对齐；如果你在双向之间有分车带的公路上开车，那么导航系统就会对齐到向北的道路上。如果你转弯，或是绕圈行驶，导航也会进行自我校正。GPS导航也会使用一个内置的罗盘，运动传感器，以及测速仪，它会准确判断出你是否进入到隧道。（如果你在一个隧道里，那么会看到当前位置图标在隧道中间，精准度可以达到一辆汽车长度的范围，非常完美。）

除了显示地图，GPS还能为汽车做什么？

显然，汽车里的GPS可以在地图上准确定位，但实际上，它还可以做很多其他事情，下面就举几个例子：

自动碰撞通知。在汽车事故中，如果汽车装配了车载资讯处理系统，比如通用的安吉星（OnStar），汽车会自动向车载资讯远程呼叫中心报告所在位置，然后呼叫距离你最近的公共安全应答点（PSAP），或帮你拨打紧急电话。此外，使用Ford&Sync，还可以通过蓝牙连接的手机直接拨打电话。通常路过的司机也会帮忙拨打紧急电话，但如果车祸发生在一个比较偏僻的地方，说不定好久才有一辆汽车路过。

增强型的自动天体导航添加了很多非GPS信息，比如失事的地理

位置和车辆破损程度，还有如果汽车翻车了，乘客是否有系安全带。宝马和通用汽车正在研究相关算法，可以预测当汽车出车祸时，乘客严重受伤的可能性；这些汽车公司相信，他们的算法足够准确，能够帮助处理安全事故的工作人员判断，是否需要派遣医疗救援直升机（主要出于成本考虑，因为使用一次医疗救援直升机的费用大约是5千到1.5万美元）。上面提到的这一切，如果没有GPS信号都是无法实现的。

可预测前照灯。首先是前照灯，然后是好的前照灯（包括氙气大灯，LED大灯，以及激光大灯），再下来是转向大灯（当你的方向盘朝右打的时候，车轮向右，右转灯就会打开）。现在，如果有了GPS信号，

当你驶向路口时，汽车就会预先判断出你要转向，继而打开车灯。据悉福特汽车公司正在试运行一款根据GPS信号判断的转向灯。

延长混合动力汽车，电动汽车的行驶里程。电动汽车，或者是混合动力汽车，需要尽可能的保持电量充足，才能行使更长的里程。但是很多爬坡，或是路况不好的地段往往特别耗电，举个例子，如果让你的电动车在略微有些坡度的高速公路上行驶一段时间，貌似不会有太大问题。但是，如果地图数据显示了GPS位置，然后告诉你目前的充电量在完

成上坡路段之后，只能再开2.5公里，那么或许你在上坡之前，就该考虑一下是不是要给自己的汽车充电了。