APP 如今，人們出門(mén)很多時(shí)候要靠導(dǎo)航。當(dāng)我們?nèi)ヒ粋€(gè)地方卻不知路線的時(shí)候，打開(kāi)導(dǎo)航，手機(jī)就會(huì)自動(dòng)規(guī)劃好路線。外賣(mài)快遞員利用導(dǎo)航送餐，司機(jī)師傅利用導(dǎo)航開(kāi)車(chē)，我們利用導(dǎo)航找到不太熟悉的地方。
那么，導(dǎo)航的原理是什么呢？要想實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，首先需要定位。導(dǎo)航指的是規(guī)劃路線，引導(dǎo)我們到達(dá)目的地，而定位則是指確定我們的位置。只有定位準(zhǔn)了，導(dǎo)航規(guī)劃的路線才有意義。那談起手機(jī)是如何定位的，就不得不提到全球定位系統(tǒng)。
全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）是由美國(guó)政府和軍方研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，1994年建成并投入使用。GPS系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三大部分組成。建成之初，空間段包括24顆衛(wèi)星，均勻分布在6個(gè)不同的軌道面上。地面段是整個(gè)系統(tǒng)的管理中心，用戶段即各種接收機(jī)，能接收GPS衛(wèi)星的信號(hào)。
GPS信號(hào)能夠給出衛(wèi)星的位置信息以及信號(hào)傳播用的時(shí)間，兩者相乘便能測(cè)量出距離。理論上來(lái)講，一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)同時(shí)測(cè)量出到任意三顆星的距離，列出一個(gè)三元兩次方程便可以求解出觀測(cè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。這就像以每一顆衛(wèi)星為原點(diǎn)，以測(cè)量到的距離為半徑畫(huà)球，兩個(gè)球面相交形成的是一個(gè)圓，三個(gè)球面相交形成的是一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就是我們的觀測(cè)點(diǎn)了。
實(shí)際上，因?yàn)橛戌姴睿?顆衛(wèi)星定位不準(zhǔn)，我們需要觀測(cè)4顆星才能準(zhǔn)確定位。
測(cè)量傳輸時(shí)間需要兩臺(tái)高精度原子鐘，一臺(tái)在衛(wèi)星上，另一臺(tái)在接收機(jī)內(nèi)部。由于兩臺(tái)鐘很難完全對(duì)準(zhǔn)，很容易使測(cè)量的距離有誤差。衛(wèi)星鐘差可以應(yīng)用GPS信號(hào)所給出的參數(shù)加以修正，而接收機(jī)的鐘差，一般難以預(yù)先準(zhǔn)確確定，需要把它作為一個(gè)未知參數(shù)。因此，在一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，為了實(shí)時(shí)求解4個(gè)未知參數(shù)（即觀測(cè)點(diǎn)的3個(gè)位置坐標(biāo)及1個(gè)鐘差參數(shù)），至少需要同時(shí)觀測(cè)4顆衛(wèi)星。
基于這個(gè)原理，只要我們?cè)谥悄苁謾C(jī)上安裝好GPS芯片，芯片能夠接收衛(wèi)星信號(hào)以及解算信息，就能夠確定位置了。
雖然GPS很好用，但為了國(guó)家安全以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，我們必須建設(shè)自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。截至目前，北斗系統(tǒng)星座部署已經(jīng)完成，預(yù)計(jì)在2020年前后開(kāi)始向全球提供服務(wù)。
中國(guó)始終秉承“中國(guó)的北斗，世界的北斗”的發(fā)展理念，服務(wù)“一帶一路”建設(shè)發(fā)展，積極推進(jìn)北斗系統(tǒng)國(guó)際合作。未來(lái)，我們自己的北斗系統(tǒng)將會(huì)在世界舞臺(tái)上大放異彩。
本文由北京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)研究專(zhuān)業(yè)副教授張忠寶進(jìn)行科學(xué)性把關(guān)。
備注：本文屬作者原創(chuàng)，2019-07-04發(fā)表于科普中國(guó)-科學(xué)為你解疑釋惑欄目http://www.kepuchina.cn/wiki/faq/201907/t20190704_1077744.shtml
