APP 如今，人們出門很多時候要靠導(dǎo)航。當(dāng)我們?nèi)ヒ粋€地方卻不知路線的時候，打開導(dǎo)航，手機就會自動規(guī)劃好路線。外賣快遞員利用導(dǎo)航送餐，司機師傅利用導(dǎo)航開車，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個不同的軌道面上。地面段是整個系統(tǒng)的管理中心，用戶段即各種接收機，能接收GPS衛(wèi)星的信號。
GPS信號能夠給出衛(wèi)星的位置信息以及信號傳播用的時間，兩者相乘便能測量出距離。理論上來講，一個觀測點同時測量出到任意三顆星的距離，列出一個三元兩次方程便可以求解出觀測點的位置坐標(biāo)。這就像以每一顆衛(wèi)星為原點，以測量到的距離為半徑畫球，兩個球面相交形成的是一個圓，三個球面相交形成的是一個點，這個點就是我們的觀測點了。
實際上，因為有鐘差，3顆衛(wèi)星定位不準(zhǔn)，我們需要觀測4顆星才能準(zhǔn)確定位。
測量傳輸時間需要兩臺高精度原子鐘，一臺在衛(wèi)星上，另一臺在接收機內(nèi)部。由于兩臺鐘很難完全對準(zhǔn)，很容易使測量的距離有誤差。衛(wèi)星鐘差可以應(yīng)用GPS信號所給出的參數(shù)加以修正，而接收機的鐘差，一般難以預(yù)先準(zhǔn)確確定，需要把它作為一個未知參數(shù)。因此，在一個觀測點，為了實時求解4個未知參數(shù)（即觀測點的3個位置坐標(biāo)及1個鐘差參數(shù)），至少需要同時觀測4顆衛(wèi)星。
基于這個原理，只要我們在智能手機上安裝好GPS芯片，芯片能夠接收衛(wèi)星信號以及解算信息，就能夠確定位置了。
雖然GPS很好用，但為了國家安全以及經(jīng)濟社會發(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)計在2020年前后開始向全球提供服務(wù)。
中國始終秉承“中國的北斗，世界的北斗”的發(fā)展理念，服務(wù)“一帶一路”建設(shè)發(fā)展，積極推進北斗系統(tǒng)國際合作。未來，我們自己的北斗系統(tǒng)將會在世界舞臺上大放異彩。
本文由北京郵電大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)研究專業(yè)副教授張忠寶進行科學(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-科學(xué)為你解疑釋惑欄目http://www.kepuchina.cn/wiki/faq/201907/t20190704_1077744.shtml
