手机怎么知道我在哪儿，导航的原理你知道吗？

“礼赞共和国，智慧新中国。”日前，中国科协公布2019年全国科普日主题，并围绕民生、科技、安全等领域的焦点问题，开展系列科普宣传。本期“身边的科学”，关注手机导航、定位话题，促进公众理解并使用高新科技，促进公众科学文化素养和精神文明水平双提升。

如今，人们出门很多时候要靠导航。当我们去一个地方却不知路线的时候，打开导航，手机就会自动规划好路线。外卖快递员利用导航送餐，司机师傅利用导航开车，我们利用导航找到不太熟悉的地方。

那么，导航的原理是什么呢？要想实现导航，首先需要定位。导航指的是规划路线，引导我们到达目的地，而定位则是指确定我们的位置。只有定位准了，导航规划的路线才有意义。那谈起手机是如何定位的，就不得不提到全球定位系统。

全球定位系统（Global Positioning System，GPS）是由美国政府和军方研发的全球卫星导航定位系统，1994年建成并投入使用。GPS系统由空间段、地面段和用户段三大部分组成。建成之初，空间段包括24颗卫星，均匀分布在6个不同的轨道面上。地面段是整个系统的管理中心，用户段即各种接收机，能接收GPS卫星的信号。

GPS信号能够给出卫星的位置信息以及信号传播用的时间，两者相乘便能测量出距离。理论上来讲，一个观测点同时测量出到任意三颗星的距离，列出一个三元二次方程便可以求解出观测点的位置坐标。这就像以每一颗卫星为原点，以测量到的距离为半径画球，两个球面相交形成的是一个圆，三个球面相交形成的是一个点，这个点就是我们的观测点了。

实际上，因为有钟差，3颗卫星定位不准，我们需要观测4颗星才能准确定位。

测量传输时间需要两台高精度原子钟，一台在卫星上，另一台在接收机内部。由于两台钟很难完全对准，很容易使测量的距离有误差。卫星钟差可以应用GPS信号所给出的参数加以修正，而接收机的钟差，一般难以预先准确确定，需要把它作为一个未知参数。因此，在一个观测点，为了实时求解4个未知参数（即观测点的3个位置坐标及1个钟差参数），至少需要同时观测4颗卫星。基于这个原理，只要我们在智能手机上安装好GPS芯片，芯片能够接收卫星信号以及解算信息，就能够确定位置了。

虽然GPS很好用，但为了国家安全以及经济社会发展，我们必须建设自己的卫星导航系统，即北斗卫星导航系统。截至目前，北斗系统星座部署已经完成，预计在2020年前后开始向全球提供服务。

中国始终秉承“中国的北斗，世界的北斗”的发展理念，服务“一带一路”建设发展，积极推进北斗系统国际合作。未来，我们自己的北斗系统将会在世界舞台上大放异彩。

（来源/科普中国济南市科学技术协会供稿）

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