​很難想象沒有衛星定位系統的生活。

早上開車出門時，它幫助我們定位導航；在城市的各條道路上，它幫助我們跟蹤管理車輛；危險發生時，它幫助我們鎖定救援位置......

只要打開 GPS，衛星定位系統就能夠在幾分鐘之內確定位置，測定出行進的速度、所處位置的經緯度及海拔高度。

那麼，你在享受衛星定位系統帶來的便利時，是否想過，千里之外的衛星為什麼能定位得這麼精準？衛星定位系統究竟是怎麼工作的？

今天我們就一起來了解一下衛星定位系統的工作原理。

衛星定位系統的組成

想要弄清楚衛星定位系統的工作原理，我們不妨先了解一下衛星定位系統的組成結構。

衛星定位系統主要由三部分組成：空間部分、控制部分、用戶設備部分。

空間部分，包括工作衛星和備用衛星。這些衛星在空中連續發送帶有時間和位置信息的無線電信號，供GPS接收機接收。

控制部分，包括主控站、注入站和監控站。監測站連續接收 GPS 衛星信號，不斷積累數據；主控站根據監控站發來的數據進行系統運行管理與控制，編寫導航電文；注入站衛星發送導航電文，對衛星進行控制管理。

用戶部分，即 GPS 接收機。主要作用是從 GPS 衛星收到信號並利用傳來的信息計算用戶的三維位置及時間。

美國GPS定位系統組成結構圖

衛星定位系統的原理

瞭解完衛星定位系統的組成結構後，我們發現用戶的GPS接收端（例如手機中內置的GPS芯片和天線）不向衛星發送任何信息，只是被動的接收衛星數據。

衛星數據只能告訴接收端衛星的位置，那GPS系統究竟是如何通過衛星數據來確定用戶位置的呢？

其實衛星定位系統的原理並不複雜。衛星在向接收端發送自己位置信息時，會附上信息發出的時間，GPS 終端接收到信息後，用當前時間減去發送時間，得到信息傳播的時間。用信息傳播時間乘信息傳播的速度（光速），我們就能得出終端與衛星的距離。

理論上來說，只要我們能得到用戶終端與四個不共面衛星的距離，就能在三維空間中確定用戶終端所在的位置。

接收端接受衛星信號來確定位置

實際應用中，手機等用戶接收端能接收到多顆定位衛星發來的信息。大家如果有興趣的話，可以在手機中安裝類似“GPS雷達”這樣的APP，查看一下自己的手機的GPS接收端能接收到哪幾顆定位衛星的信號。

衛星定位系統的心臟——原子鐘

瞭解到衛星定位系統的基本原理後，我們可以發現，在衛星定位系統中最核心的部分就是要準確測量衛星信號的傳播時間。

失之毫釐，謬以千里。任何一點細微的時間誤差乘上光速，得到的距離誤差都會被放大很多倍。在衛星導航系統中，1納秒（十億分之一秒）的時間誤差將導致0.3米的距離誤差。

為了儘可能地減小時間誤差，在衛星定位系統中我們使用的是目前最精確的時間測量工具——原子鐘。

原子會不停地發生振盪，振盪的頻率是原子的固有頻率，不會受溫度和壓力的影響改變。原子鐘正是利用這一原理製成。

原子鐘的精度非常高，數千萬年才會差1秒。目前世界上可以提供精確定位的全球定位系統，即美國的 GPS 定位系統、俄羅斯的格洛納斯定位系統、中國的北斗定位系統、歐盟的伽利略定位系統全部使用了原子鐘來測定時間。將原子鐘稱為衛星定位系統的心臟一點也不誇張。

我國北斗導航衛星上所搭載的星載銣原子鐘

定義一個位置，至少需要4顆衛星

雖然原子鐘能幫助我們減小時間誤差，但受限於技術和成本，我們不可能在每個用戶接收端都安裝原子鐘。實際上衛星上安裝的是原子鐘，而用戶接收端則是石英鐘，石英鐘的精度比起原子鐘就差多了。

除此之外，根據愛因斯坦的廣義相對論，物體的運動速度將導致其時間彎曲，具體表現在速度越快的物體，其時間變得越慢。廣義相對論還認為，大質量物體會導致其周圍的時間和空間發生彎曲，具體表現在離大質量物體越近，時間就變得越慢。

GPS衛星相比於地面上的人，距離地球（大質量物體）更遠，受到的地球引力略小，基本上GPS衛星上的時鐘每天會比地球上時鐘快38微秒，即每天將會增大11千米的誤差。

瞭解到這些知識後我們會發現，即使是同一時刻，接收端的石英鐘與衛星上的原子鐘顯示的時間也是不相同的，這種誤差會對定位的準確性造成很大影響。

美國的GPS定位系統的24顆衛星均勻分佈在6個軌道平面上，各個軌道面都被設定為特定的角度。這種佈局的目的就是保證在全球任何地點、任何時刻，每個接收機至少可以接收到4顆衛星的信號。

GPS定位系統的衛星佈局

隨著衛星定位技術的不斷髮展，它的應用領域也越來越寬廣。在定位導航、災害監測、工程建設、海洋開發等各個方面都能大放異彩。

相信在未來，它會給我們帶來更多驚喜。