GPS 在太空中还能用吗?可能跟你想的不太一样

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GPS 在太空中还能用吗?可能跟你想的不太一样

图片:《火星救援》

陈二喜,航空系烈士

能用啊,而且比地面上的精度高很多。如果要解释的话就得讲原理了。

讲知识最重要的原则就是“通俗”,所以我尽量不用很多专业术语。

GPS 导航属于卫星定位导航技术,全球有四大卫星导航系统。除了 GPS,其他的有 GLONASS,伽利略,以及我们国家的北斗。

一、卫星定位系统原理

卫星定位系统的原理很简单。就是先测距,然后根据简单的几何知识(三球交汇)推算出用户的实际位置。画个图就明白了。

在空间中,是三个球,我用三个圆示意。红点表示用户,也就是咱们手中的手机。三个黑点表示地球外中的 GPS 卫星。

以上数学原理很简单,只要能够准确测距(求 R1,R2,R3),就能够实现准确定位。所以,定位的误差,来源于测距误差

二、测距原理

以卫星 1 举例说明。卫星 1 和用户同时、随机说一句不可重复的话。

注意,二者是同时说的。然后,卫星 1 说的这句话过了一段时间传递到了用户这里,于是发生了以下情况:

手机说的,与手机接收到的,有个时间差

,这个时间差乘以电磁波的传播速度,得到的距离,就是手机与卫星的距离。

PS:实际情况是,卫星发送的是一串固定长度的随机二进制码。为什么要高度随机呢?为了避免卫星 2 说了同样的内容,导致手机无法分辨信号来源。

原理搞明白了,就能够大概推测出误差来源了。

三、误差来源分析

1,太空中的卫星,与地面上的手机,需要同时制造随机的二进制码,这就需要二者有一套共同的时间坐标。用大白话说就是这俩货得用同一块表。但是不现实,所以得造两块“快慢一样”的表,一块放在卫星上,一块放在地面。因为即使差出 1 毫秒(千分之一秒),乘以电磁波的传播速度(30 万千米每秒),得到的误差为 300 千米。所以,卫星钟的误差应该不超过 1 微秒(十万分之一秒)。

2,注意上图,“手机说”与“手机接收”两者相差三个半字的时间差,实际操作过程中,此处是四舍五入的。因为实际过程中,信号是一串二进制码,码是最小单位,不能再分割。民用导航中,用的是 C/A 码,单个 C/A 码持续的时间为 0.97 多微秒。

以上都是小误差,而且与本题无关。接下来就要谈最令人头疼的误差了。

3,色散效应

太空中的卫星,发射电磁波到地面,传播过程中,由于真空与大气层的折射率不同,导致会发生折射。岂止是真空与大气层,就单单是大气层中,各个高度,由于空气温度、湿度不同,密度不同,导致折射率不同。

图片来源互联网,侵删。

图片质量不好,凑合看吧,反正大概理解电磁波从太空传播到地面上的手机,肯定要经过一系列折射,导致电磁波传播不再是直线,造成误差就足够了。

这个误差相当大,目前的解决办法只能依靠后续处理来减小。当然,如果直接在太空中使用,那就根本不用考虑色散效应导致的误差了。

综上,太空中使用 GPS 精度更高。

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