GPS是什么？
（图片来源：wikipedia）
为了避免迷路，人类可下了不少的功夫，他们树立了不朽的地标，费力地绘制了详细的地图，还学会了看夜空中的星星……尽管如此，精确定位在过去还是个大难题。
然而事情到了今天，就简单多了。只需打开手机里的导航系统，它就可以告诉你，你的确切位置。它还能为你导航，也就是规划路线，引导我们到达目的地，这些正是现代智能手机最酷的功能之一。是因为智能手机太聪明了吗？其实是因为它们身体里装了GPS接收器。
GPS即全球定位系统(Global Positioning System），是由美国研发的全球卫星导航定位系统。目前，我国也有自己的卫星定位系统，叫做北斗卫星导航系统。另外，欧盟和俄罗斯也有他们自己的定位系统。首先，卫星知道自己的准确位置信息，它们发出信号，被手机上的GPS接收器截获，根据信息到达的时间，接收器就能知道卫星与你的距离，并由此计算出你的位置。
为什么知道了卫星与你的距离，就能计算出你的位置？比方说，你并不知道自己的位置，但是知道A同学在什么地方，并且，你知道他在距离你10米的某处。所以，以A为圆心，以10米为半径的圆周上，都有可能是你所在的位置。
理论上来讲，截获任意三颗卫星的信号，便可以得到你的位置。想象一下，你正站在地球上的某个地方，头顶上有三颗卫星A、B、C。如果知道你与卫星A的距离，那么你一定在A红圈的某个地方。如果你也知道了卫星B和卫星C的“红圈”范围，那么三个圆的交点就是你的位置了。这就是GPS接收器的定位原理，只不过它实际使用的是重叠的球体而不是圆。
实际上，为了更加精确地定位，我们需要多观测1颗卫星，也就是说，GPS接收机需要截获至少4颗卫星传输的信号，并将这些信息与电子年历中的信息结合起来，才能准确找出接收机在地球上的位置。
但是，另一个大问题出现了。综合广义相对论和狭义相对论，卫星的时钟与地面时钟不是同步的，卫星的时钟每天大约比地面钟快38微秒。这个数字看起来微不足道，但GPS系统要求的是纳秒级的时间精度（38微秒等于38000纳秒，如果不加以校正的话，GPS系统每天将累积大约10千米的定位误差），那这个误差可就大了。为此，GPS导航仪在定位时还须根据相对论进行计算，纠正这一误差。
在开阔的地区，卫星信号会强一些，定位也会更为精准。但是像电梯、厕所等周围障碍物较多的地方，信号就会略差。科技改变生活，有了卫星定位，我们就不必在茫茫夜空中寻找指路的星星，也不用在信息密集的地图上来回摸索，打开手机，你就知道你在哪里了。今年，也就是2020年，我国的北斗卫星导航系统也将完成，为全球用户提供更加优质的服务。
参考资料：
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%A8%E7%90%83%E5%AE%9A%E4%BD%8D%E7%B3%BB%E7%BB%9F
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8E%9F%E5%AD%90%E9%90%98
作者：董依明
审稿：于颖卓
中科院地理科学与资源研究所博士
