航天科普 | 5分钟了解GPS定位原理

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全球定位系统（GPS）是基于卫星的定位技术，最早源于美国，中国有北斗系统，俄罗斯有格洛纳斯，欧盟有伽利略。基本原理是通过至少三颗卫星的信号来确定一个点的位置。卫星系统由地面监控系统、卫星和接收设备组成，其中，卫星负责发送导航信息，接收设备则根据信号传播时间计算出自身位置。

在GPS定位中，接收器接收到卫星信号后，首先通过伪距测量来计算距离。这种方法通过测量信号从卫星到接收器的时间差，结合光速，计算出卫星与接收器之间的距离。理论上，通过三颗卫星的信号，接收器可以确定一个圆，而第四颗卫星的信号则会与之前的三个圆相交于一个点，即接收器的位置。

更精确的定位方式是载波相位测量，这种方法测量从卫星发射的原始载波相位与接收器接收到的载波相位之差，以确定更准确的距离。通过多个卫星的信号，接收器可以计算出三维空间中的位置坐标。

GPS系统由24颗卫星组成，分布在6个轨道上，其中21颗用于服务，3颗作为备用。地面监控系统负责检测和维护卫星运行状态，确保定位准确。接收设备通过处理卫星信号，计算出自身位置。

GPS信号包括C/A码和P码。C/A码用于快速锁定卫星信号，适用于民用，而P码则具有更高的精度，适用于军用。在实际应用中，通过解析卫星发送的导航电文，接收器可以计算出自身位置。

GPS定位的数学基础是利用空间距离公式来计算距离，结合卫星坐标和接收器坐标，可以列出方程组来解算出接收器的位置。每一颗卫星相当于一个坐标点，通过至少四颗卫星的信号，可以解算出接收器在三维空间中的位置。

GPS定位原理直观来说，就是通过至少三颗卫星信号形成的空间坐标，计算接收器的位置。接收器接收到卫星信号后，通过计算信号传播时间，确定距离，进而通过数学计算确定位置。这种方法可以广泛应用于导航、定位、测量等各个领域。