原文地址：How Does GPS Work?
讓我們站在技術的角度上從衛星一直到地面接收器，仔細看看全球定位系統這項技術。
NavStar GPS衛星
背景資料
全球定位系統（GPS）最初被稱為NavStar，是美軍在1995年創造的。NavStar最初是地球同步軌道上二十多顆GPS衛星的集合。
如今，NavStar已經發展成為一個由30多顆衛星組成的網路，在離地表約13000英里的地方圍繞地球執行。這些衛星在從西向東的軌道上執行，每天會對同一地點飛越兩次。
當其他國家正在發展自己的GPS衛星網路時，美國的NavStar系統仍然是標準。
只需要24顆衛星就可以覆蓋95％的地球表面。其餘的主要功能是作為備份，只有在需要更精確的時候才進行查詢。
衛星
這些衛星上最關鍵的元件是 原子鐘。正如您將看到的，可靠的計時是這些衛星的最重要的功能。
這個原子鐘是為1970年代後期的第一批GPS衛星建造的。
原子鐘旨在測量精確的秒數，這是現代計時的基本單位。國際單位制（SI）將秒數定義為銫133原子在精確定義的狀態下準確振盪所需的時間：9,192,631,770 倍。”
—生命科學
GPS有效載荷
GPS本質上是一個被動系統。GPS衛星不接收任何資訊。
相反，每顆衛星都會定期報告：
- 偽隨機碼 —衛星的標識值（接收機用於解碼訊號）
- 年曆資料 -衛星在任何給定時刻的位置以及所有其他活動衛星的軌道資訊（這會通知接收器哪些衛星應該可用以及何時可用-幫助接收器更快地獲取GPS定位資訊）
- 星曆資料 -有關衛星的更具體的資訊：它是當前日期，時間，健康狀況和位置。NavStar衛星大約每30秒廣播一次此資料。星曆資料通常每2小時更新一次，有效期為4小時。
從冷啟動開始
儘管廣播頻率很高，但是僅憑年曆表通常不足以使GPS接收器獲得定位資訊，尤其是在GPS接收器從冷啟動中啟動時。
並非總是如此，GPS接收機的快取年曆資訊將過時，因此某些接收機（尤其是較舊的接收機）可能必須等待10分鐘以上才能從每個衛星接收完整的年曆和星曆資料廣播，然後才能提供GPS定位。
此外，星曆資料具有自然到期時間，因為由於時鐘漂移而無法將其快取太久。等待廣播和接收更新的星曆錶資料是導致GPS接收器啟動時間長的主要原因。
全球定位系統
幸運的是，大多數現代裝置（例如當今的智慧手機）都可以最大程度地減少這種等待時間。大多數現代移動裝置使用一種稱為A-GPS（輔助全球定位系統）的傳統GPS技術的變體，可以幫助他們快速獲取GPS定位。
A-GPS透過利用手機的資料連線與幫助伺服器聯絡來工作。伺服器將直接提供年曆和星曆資料，因此電話不再需要等待來自衛星的傳輸。但是，一旦超出蜂窩覆蓋範圍，電話便會恢復為車載GPS裝置，並需要幾分鐘來以傳統方式獲取星曆和年曆資料。
GPS訊號
大多數GPS傳輸都在頻譜的UHF部分中。大多數民用GPS通訊上完成 1575.42 兆赫 或1227.60MHz的。
另外，GPS訊號使用CDMA擴頻技術，以允許所有衛星在相同頻率上發射而不會互相干擾。
GPS傳輸
根據RadioElectronics的資料，標準GPS傳輸的長度約為15000位，並且以50位/秒的速率進行傳輸，完成整個傳輸大約需要30秒。
該幀被分為5個子幀，每個子幀的長度為300位，傳輸時間為6秒。
這些幀可幫助接收器識別傳輸的開始和結束，因此它們可以輕鬆地與輸入訊號同步並解碼傳輸。
子框架1： 時鐘，GPS時間，衛星執行狀況，衛星ID
子框架2-3： 星曆資料
子框架4-5： 年曆資料
接收者
三邊測量
GPS在接收器端透過使用稱為trilateration的方法來工作 。
想象一下，我告訴過你，我距洛杉磯150英里，拉斯維加斯200英里，弗雷斯諾75英里。
僅需使用這三個距離值，您就可以確定與這些約束匹配的區域，並能夠估算出我在該區域內的當前位置。您進行的距離測量越多，對我的位置的估算就越準確。
三邊測量示例
GPS要求最短距離為3顆衛星，以獲取對您所在位置的修正。眾所周知，GPS訊號包括衛星的位置和根據衛星內部時鐘的時間。如果我們測量接收訊息的時間，並將時間差與從衛星傳送訊息的時間進行比較，則可以確定訊息傳輸的時間。另外，知道所有這些訊號都是以光速傳送的，我們可以將這兩個值相乘以計算到特定衛星的直線距離。
因此，衛星使用昂貴的原子鐘。傳輸的時間值越準確，則接收機與衛星的距離就越準確。
儘管我們僅用3顆衛星就可以確定使用者的2D位置，但是使用4顆衛星可以使我們計算高度值。儘管在某些情況下2D定位可能會起作用，因為GPS會假定您接近海平面，但是如果您在山上，則2D定位可能會產生數百米的誤差。
此外，由於接收器（如行動電話）通常具有更便宜，更不準確的時鐘，因此我們需要解決由更便宜的硬體和其他環境因素（由電離層和對流層引起的訊號速度降低）帶來的定時誤差。使用第四顆衛星不僅可以提供高度值，還可以讓我們求解方程組，使我們可以識別時鐘誤差並計算出更準確的位置。
大多數現代GPS接收器將使用此附加資訊來嘗試將其內部時鐘與衛星的原子鐘同步。
這就是為什麼大多數現代GPS接收器通常會跟蹤所有可用的視線衛星，但只使用一些子集進行實際計算的原因。
現在，GPS接收器的天線可以拾取至少4顆衛星，它可以在3個維度（緯度，經度和高度）中準確計算其位置和時間。
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