Photo: U.S. Air Force, Wikimedia Commons, Public domain.你觉得你知道你的手机是如何绘制世界地图的吗?踏上轨道之旅,测试你对全球定位系统背后的卫星、历史和科学的知识。
轨迹探奇者 0–4 · 信号追寻者 5–8 · 航海大师 9–10
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一个常见的误区是 GPS 接收器会与卫星对话。实际上,GPS 是一个完全被动的系统:卫星不断广播时间和轨道数据,而你的手机只是在监听。你的手机在本地计算你的位置,而不会向太空发回任何数据。这就是为什么即使你完全没有手机信号,GPS 也能工作的原因。
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伽利略是欧洲最先进的全球卫星导航系统,于2016年投入使用。与由美国军方运营的GPS不同,伽利略主要专为民用和商业用途而设计,可为高端用户提供精确到厘米级别的极高精度。
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GPS卫星运行在海拔约20,200公里的中地球轨道上。这个轨道非常理想,因为它既能让卫星保持足够的高度以覆盖地球的大片区域,又能让它们每12小时完成一整圈的运行。相比之下,地球静止卫星的位置要高得多,并且固定在赤道上空的某个点上。
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由于高空重力较弱,卫星时钟每天会快大约45微秒。尽管狭义相对论表明它们的高速运动会使时钟慢7微秒,但综合效果是每天快38微秒。工程师必须在发射前在卫星时钟中编程一个恒定的修正值,以防止GPS坐标发生漂移。照片:NASA,Wikimedia Commons,Public domain。
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1983年9月,一架苏联战斗机击落了大韩航空007号航班,此前该客机由于导航错误不小心偏航进入了苏联禁飞领空。为了回应这一悲剧,里根总统宣布将美军的GPS技术免费提供给民用航空,以防止此类错误再次发生。
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美国国防部正式以NAVSTAR GPS的名字启动了该项目,意为“导航系统授时及测距”。Transit实际上是美国海军自20世纪60年代起使用的一个早期且独立的卫星导航系统。第一颗实验性Navstar卫星于1978年被发射进入轨道。照片:美国空军,维基共享资源,公有领域。
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第一颗实验性的Block I GPS卫星于1978年2月发射。又过了十五年和数十次发射,该系统才于1995年实现全面运营能力。如今,该系统不断更新新一代卫星以保持准确性。照片:Paulssava,Wikimedia Commons,CC BY-SA 4.0。
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格莱蒂丝·韦斯特编写了用于计算地球精确形状(即大地水准面)的计算机程序。如果没有这个高度详细的数学模型,GPS计算将无法足够精确地定位地球表面的位置。2018年,她正式入选美国空军太空与导弹先驱名人堂。照片:Adrian Cadiz,Wikimedia Commons,Public domain。
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GPS信号是以微波频段传输的,具体来说是在被称为L波段的频率上。微波非常适合这项工作,因为它们可以轻易穿透云层、雨水和塑料外壳,尽管它们在面对密集的树叶和混凝土墙时会遇到困难。短波频率则用于长途国际无线电广播。
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Magellan NAV 1000于1989年上市时创造了历史,重约1.5磅,售价约3000美元。它主要为船只使用者设计,使用AA电池只能运行几个小时。Garmin的早期型号(如GPS 50)紧随其后推出,拉开了竞争激烈的消费级导航市场序幕。
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