GPS使用卫星测量当前位置，用于许多地方，包括地图应用程序和汽车导航系统，已成为现代人生活不可或缺的系统。 巴托斯·西卡诺夫斯基（Bartosz Ciechanowski）先生创建了一个网站易于理解的解释了GPS的位置测量机制。

GPS – Bartosz Ciechanowski

• 如何测量平面上的位置

Ciechanowski首先准备了一个由绿、蓝、红三个点组成的平面，而不是地球，并解说了平面上黄色人偶测量自身位置的方法。

测量平面上的位置所需的信息是“绿、蓝、红点的位置”和“绿、蓝、红点到人偶的距离”。测量“点和人偶的距离”后，以各个点为中心，画以“点和人偶的距离”为半径的3个圆，圆的交点就是人偶的位置。这种以距离为基础求位置的方法被称为三边测量（trilateration survey），是GPS位置测量的基础。

谁都知道，把距离除以时间就能算出速度，把时间乘以速度就能算出距离。利用这个法则的话，可以利用速度恒定的“声音”等计算距离。例如，如果建立“人偶发出的声音到达的时候各点发光”的结构，人偶通过测量从“自己发出声音的时机”到“各点发光的时机”的时间，可以导出到各点的距离。

通过如上所述导出距离，只要知道“发出的声音到达点的时间”，就可以使用三边测量确定位置。 现在，无需测量距离即可确定位置。

但是，如下所示，存在2个人偶的情况下，无法判别点是对哪个人偶发出的声音反应而发光的，很难算出位置。两个人偶同时发出声音可能很少见，但是如果和实际的GPS一样有几十亿个对象存在的话，容易产生多个对象同时发出声音的状况，位置的测量会变得困难。

解决这个问题的明智方法不是利用“自己发出的声音”而是利用“点发出的声音”。这样的话，即使数十亿的人偶同时寻求位置信息，也不会与其他人偶干涉，可以寻求位置信息。但是，在利用“点发出的声音”的情况下，新的操作需要“将自己的时钟和点的时钟校准”。

利用“自己发出的声音”的时候，可以用自己的时钟测量“自己发出声音的时机”和“各点发光的时机”，所以没有必要对准时钟。但是，在利用“点发出的声音”的情况下，“点发出声音的时机”需要用点的时钟来测量，“声音到达自己的时机”需要用自己的时钟来测量。因此，如果两者的时钟不完全一致，就无法计算出正确的距离，无法测定位置信息。

事实上，这种对时制问题也有一个聪明的解决方案。 如果三个点的时钟完全同步，然后同时发出声音，则当人偶的时钟偏移时，三个圆不会在一个位置相交，半径基于“听到声音的时间”计算的距离，但只有当时钟完全匹配时，三个圆圈才会在一个位置相交。 换句话说，即使自己的时钟不准，如果你调整时钟，使三个圆圈在一个地方相交后，你听到所有三个点发出的声音，你可以测量自己的位置，同时调整时间。

如果可以同时进行对时和定位，则似乎不需要对时匹配，但调整时钟具有更快的定位优势。 如果时钟正好合适的话，您可以在听到两个声音时将位置缩小到两个位置，如下所示： 从全球范围来看，这两个地点中的一个基本上表示与自己所在的地点相距很远的地点，所以在听到两个声音的时候可以判断位置。

◆在3维世界中测量位置

上述的定位方法是以平面为对象的，在有高低差的现实世界中不能直接利用。例如，如下所示，人偶存在于高位置的情况下，即使以离点的距离为基础画圆，也不会在一个地方相交。

要测量世界在三维中的位置，可以使用“球体”而不是“圆”。 绘制一个半径为要查找位置信息的点的距离的球体，三个球体可以有两个交点。

在现实的地球上使用上述方法的话，两个点中的一个表示地下和深海。因此，通过使用“球体”，可以像平面一样测量位置。

◆如何测量地球上的位置

如果上述定位方法适用于真实地球，则每次测量位置时都会发出噪音，因此声音的使用是不合适的。 除了声音之外，还有恒定速度的“光”，但可见光很容易被云、雾、灰尘和烟雾遮挡。 因此，在实际的GPS中，使用很难被云和灰尘阻挡的“无线电波”。

此外，如果无线电波的来源在地球表面附近，则无法克服山脉和丘陵等地形。

将无线电波发射源放置在高处，无需受地形影响即可将无线电波发送到物体，如下所示：

然而，要建造一座比珠穆朗玛峰更高的无线电波发射塔是很困难的。 解决这个问题的想法是将无线电波发射源送入卫星轨道。 GPS 拥有约 30 颗卫星，可实现全球高精度定位。

此外，如上所述，定位系统需要精确的时间，而GPS卫星配备了一个原子钟，每30万年只产生一秒的误差，以确保时间的准确性。

除了上述内容外，Ciechanowski 的评论页面还解释了 GPS 轨道的详细信息以及无线电波传输的内容。所以如果你有兴趣，建议尝试实际访问它。

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