北斗上天“拯救路痴”,卫星导航远不止收发信号

  中奇 万铎 黄阳 发自 凹非寺

  鹅板凳 | 公众号 ebandeng

  经历了一番波折,本周我国北斗卫星导航系统终于成功发射了最后一颗组网卫星,中国终于用上了自己的全球导航系统。

  作为中国迄今规模最大、覆盖最广、性能最强也是最复杂的巨型航天系统,北斗导航和其他国家的全球卫星导航系统有什么区别?我们又是如何通过卫星实现导航和定位的?

   

  今天大鹅就和大家一起聊聊这些问题。

  我们如何在地图上定位?

   

  卫星定位早就不新鲜了,打开手机地图查看自己的方位已经是大家每天的日常。极端情况下,甚至不联网也能勉强定位一下。

   

  但你想过这一切是怎么实现的么?

   

  你肯定会说了:“这还不简单?我向卫星定位系统发个查询请求,系统再返回一个坐标,完事儿。”

   

  但要真按这个方法,全世界那么多人挨个找卫星查位置,卫星可不得累死?

   

  所以实际上,卫星是通过向地面发送广播,然后手机再接收来实现的。

   

  先举个简单的例子。

   

  假如你穿越回了第二次工业革命前,也就是没有电子产品的时代,这时候你身上只有一张纸质地图,但并不知道自己在哪。

   

  于是你开始询问身边的人,第一个人不是本地人、也不知道这是哪里,但他是从七侠镇溜达着过来的,走了大概有40里地。

   

  那么你的位置,一定在以七侠镇为圆心,40里地为半径的圆上对吧?

   

   

  但这样的地点太多了,你还是不知道自己在哪,于是你问了第二个人。他也不是本地的、也不知道这是哪,但他是从十八里铺赶着马车过来的,走了100里地。

   

  那么现在你的位置肯定也在以十八里铺为圆心,100里地为半径的圆上。

         

  根据地图一合计,这个圆和之前七侠镇那个圆有两个交点,所以你肯定是在这两个点上,范围虽然缩小了,但你仍然不知道自己在哪,于是你问了第三个人。

   

  第三个人,这不巧了么,也不是本地的,他不知道这是哪,但他是从左家庄坐着驴过来的,走了20里地。

   

  那么现在你就在以左家庄为圆心,20里地为半径的圆上,跟刚才的信息一综合,三个圆交叉在一个点上,你就知道了,原来自己来了平谷飞龙影视基地……

                 

   

  卫星定位的原理和这个差不多。

   

  只不过现实生活中我们除了平面位置上的(x,y)信息之外,还能得到高度信息,也就是z轴坐标,卫星定位就是通过这三个球面的交点,来确定你的位置信息的。

   

  搞懂了原理,我们接着往下说。

   

  首先我们需要找到三个球心的位置。

   

  导航系统里的卫星们都是一直在绕着地球转的,每时每刻都在向地面发送着自己的三维坐标,也就是经度、纬度以及高度三个信息,咱们用(x,y,z)表示。

   

  光确定球心还不够,要算出来你所在的位置还需要知道半径。这时候我们就需要另一个参数,也就是时间。

   

  卫星里面还有一个很重要的部件,叫做原子钟,说白了,它就是一个时间非常精确的......钟。每次卫星发射自己坐标的时候,其实除了xyz轴的数据,它还会连带着把时间t也一块播报出去。

   

  这些信息通过电磁波被手机接收之后,拿手机的时间和卫星上原子钟中的时间一对比,就知道电磁波飞了多久。

   

  根据小学二年级知识我们知道,电磁波的速度是固定的,时间乘以速度就等于距离,这样一来半径就弄清楚了,就可以确定我们在地球上的坐标了。

   

  但实际的卫星定位是通过四颗卫星的信息来确定坐标的,之所以比上面理论上多一个卫星信息,是为了验证准确性。

   

  比如现在我们已经知道了第一组和第二组的圆心和半径,那么第三组的圆心恰好在一二两个交点点连线的中间,那么第三组数据就没用了,这时候就需要第四组的数据来工作了。

   

  那么也许你会问,如果第四组数据的圆心恰好也在这咋办?

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