GPS是如何运作的？凭什么可以免费使用？

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GPS是如何运作的？凭什么可以免费使用？

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EDA365原创     作者：巢影字幕组

       全球定位系统(GPS)，最初称为Navstar GPS，是美国政府拥有并由美国空军运营的一个基于卫星的无线电导航系统。它是一个全球导航卫星系统，向地球表面或近地球表面，具有四颗或更多的全球定位系统卫星视线不受阻碍的全球定位系统接收器提供地理位置和时间信息。类似山和建筑物这样的障碍物会阻挡相对而言信号较弱的全球定位系统信号。我们在现代设备使用的每一个数据几乎都与「它」有关，不仅许多的设备依赖于「它」，而且「它」还是免费的，不论我们身处何处，「它」让手机可以指引我们正确的方向，甚至在未来的某一天，「它」可能让我们拥有自动驾驶车，而「它」当然就是全球定位系统，简称GPS。

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       这群卫星的建造和发射就花费了高达120亿美元，但在世界各地几乎是免费的，并不是真正免费的，美国纳税人负担了这笔款项，每天支付约200万美元来维持及运作，这个系统原本并不是每个人都可以使用，这些卫星原本是设计给军方使用，为其提供准确的位置资讯，任何在地球上的飞机、船只，甚至是士兵都可以使用GPS，而第一颗全球定位卫星Navstar 1于1978年2月22日通过Atlas火箭进入轨道，接下来的七年，其余十颗GPS卫星也成功地进入地球轨道，在十二个发射计划当中，只有Navstar 7发射失败这些第一阶段的卫星验证了该系统的能力，并从中吸取经验应用到第二阶段的卫星，该计划将发射24颗GPS卫星，为美军提供能够覆盖全球的GPS，这24颗GPS卫星可确保至少4颗卫星在任何时候都能与地球表面上的任何一个点直接相连。由此来确保这些GPS卫星，可以透过三角测量来准确的指出你在地球上的位置，由于卫星的轨道是可预测的，所以我们可以确切地知道卫星在哪里，再加上地面站的定期检查，以确保卫星的位置跟我们预期是一样的，GPS卫星不断地传送无线电信号到你的手机接收器，这些信号告诉你的手机卫星在哪、什么时候传送讯号，从而让接收器来计算卫星离你多远，因为无线电信号的传递速度是以光速来传递，每个卫星告诉我们在X公里之内，因此我们可以知道自己身处于这个X半径的圆，圆周上从四颗卫星获取的资讯可以让我们组合一个球体，并查看它们相交的位置，来准确地知道我们在地球上的位置，时间的准确度对于系统的正确性是非常重要的，二十到三十奈秒的误差，将使距离测量值不准确，因此每个卫星都拥有最准确的计时装置，也就是原子钟。

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       但碍于其尺寸和成本，原子钟不能用于手机，所以GPS卫星也不断地更新手机的时间以确保接受器能够准确地计算手机到卫星的距离为了保持时间测量的准确性，我们甚至必须考虑狭义相对论的影响。因为地面上的接收器运动得比轨道上的卫星还慢，卫星是以每小时移动14000公里的机器，狭义相对论预测，原子钟经历的时间比地球上还慢大约每天慢七微秒。此外，卫星在行星表面上两万公里的轨道上，地球的重力对时空曲率的影响较小，广义相对论告诉我们，越靠近地球，时间过得越慢。因此，如果我们计算地球表面上的重力引起的时间膨胀，然后再计算距行星表面两万公里的时间膨胀。我们可以得知，时钟每天大约会误差四十五微秒。由于这些影响，我们必须使每颗卫星上的时钟比地球上的时钟快三十八微秒，如果没有考虑到这种影响，GPS的计算每天将失去十公里的准确性，而让它完全变成废物。但是由于这些聪明的工程师和爱因斯坦的难以置信的发现，让我们在手机上拥有全球定位系统，准确度约在5公尺左右，但正如我刚才所说，普通市民并不总是能够使用这个系统，它只给军方使用向大众开放这个系统，可能会对美国造成潜在的危险。毕竟导弹也是使用这个系统来导航，向大众开放这个系统的动机出现在1983年当时苏联 Su-15导弹击落了一架进入偏离其预定路线而进入苏联禁区的韩国客机如果有新的导航系统可用，也许就会避免出现这种错误。

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       所以在1983年9月16日，美国总统雷根宣布全球定位系统将免费提供给民用，但有个不利的条件那就是信号会被干扰，进而使它的准确率降低至一百公尺它虽然还是有用的，但如果用今天的标准来看，它似乎不是那么准确，这是为了保持美军战术上的优势，防止系统被恶意使用，直到西元2000年，克林顿总统签署了一项法案，终止了干扰行为，并向全球开放了高准确度的GPS，这么做之后，可为美国的公司带来庞大的经济优势，美军过去在伊拉克等地区干扰了敌军的GPS信号，这并不是一件困难的事情。

       在2013年纽泽西州的一名卡车司机想要掩盖它的GPS位置，并使用一个小干扰机，但当它每次开车时都会无意间中断了纽瓦克机场的GPS利用这种易于追踪的干扰技术，美国还可以随时选择在世界各地的任何一个企业中夺取这种特权，甚至可以瘫痪某一间企业。因此，世界各国开始发展他们自己的GPS系统，俄罗斯拥有自己的二十四颗GPS卫星，所以不需要美国的GPS系统。在2020年，中国和欧洲也将有类似的系统，而日本在地球轨道上有两颗GPS卫星来增加特定城市的GPS可用性，这些卫星已经规划好了轨道，以确保在任何时候可以直接使用。最后，印度拥有7颗自己的卫星来定位自己国家的土地这个工具在所有太空计划中可能是最被低估的一项，一个简单的无线电信号，就可以让我们的农民操作无人牵引车来管理他们的土地，而商业渔船使用GPS来导航和寻找钓鱼地点，航空业将GPS用于导航和避免空难，即使无人机也不可能没有它。因为任何使用DJI无人机的人都知道，你必须连接至少6颗卫星才能飞。另一项无人机所运用的科技在今日也颇为流行，那就是电脑模拟。直至今日GPS在我们的生活中成为了一个不可或缺的存在。

出品｜EDA365

作者｜巢影字幕组

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