科普：GPS太有用了，它究竟是如何工作的？

開車最難過的就是迷路。不過自從有了GPS，很多道路問題都能迎刃而解，它可以部署在汽車導航系統或攜帶型導航設備里，也可以部署進汽車中控台，甚至是車主的智能手機里，只需打開地圖，你就能輕鬆的知道自己在什麼位置。不過，如果汽車導航界面做的比較粗糙，輸入數據就會比較麻煩，特別是在駕駛汽車的過程中，會很難完成地址的輸入操作。

本文將給大家介紹下什麼是GPS，它可以為汽車做些什麼，未來它又會有哪些可能的用途。GPS會讓你更加安全地駕駛，幫助你了解周邊交通情況，尋找附近的服務，甚至還可以幫助商店推銷服務。

GPS是如何工作的（可能比你想知道的還要多）

從1994年開始，地球上空就出現了24顆GPS衛星，他們被分成了六組，在1.3萬英尺的高空中圍繞地球飛行。它們是同步軌道衛星，但並不是靜止的，而是以每小時8千英里的速度從西向東飛行，每天可以繞地球兩次。每顆衛星上搭載了原子鐘，並且不斷報告：

偽隨機碼：每顆衛星的ID

星曆數據：當前日期和時間，衛星是否健康或不健康（「不健康」可能意味著衛星正在重新定位或重新校準，不是指它飛走了）

年鑒數據：定位衛星在什麼時間到達什麼位置的數據（每個GPS衛星都有年鑒數據）

GPS內部的接收器會從衛星捕捉到達時間（TOA）和飛行時間（TOF）。給定光速（恆定），以及信號在什麼時候、什麼地方發生，GPS接收器便會計算出你的車、你的攜帶型導航儀、徒步GPS，或是智能手機在地球上哪個位置。當設備沿著高速公路移動，它還會計算行駛速度和羅盤航向，不過GPS的速度通常會比汽車裡程表顯示的時速慢幾英里。行駛數據會呈現在導航系統里。衛星信號從地球大氣層從40-600英里高空穿過電離層，會產生延遲；而GPS系統會應用校正因子。

一般而言，我們需要三個GPS信號來確定（三角定律）接收器的位置，然後用第四個信號來計算高度。當然，接收器接收的衛星數量越多（最多應該是十二個，因為一共二十四顆衛星，另外十二個在地球的另一邊），定位的質量就會越高。如果原子時鐘不準確，或是其他不準確的信息進入，GPS可以進行修正。

更加新一些的GPS系統（接收器在地球上）定位會更加準確，而且能夠定位更小的對象，價格也更便宜，它們甚至還能定位室內GPS接收器。美國國防部高級研究計劃局曾經展示過一個晶元，它比一美分硬幣還要小，但是卻內置了三個陀螺儀，三個加速度計，以及一個內置時鐘（見上圖）。還有其他一些研究人員開發了很多技術，目的是提升GPS計時功能和衛星時鐘的準確度。這些研究的主要目的，是讓昂貴的GPS系統能夠進一步提升準確度，並且能夠把這種準確度應用在普通人的汽車中控系統裡面。

GPS接收器有多準確？

差分GPS技術的開發，使用了基於地面參考站來糾正精準度，這種技術可以將SA信號定位在15米範圍內，大約2到3輛汽車的長度，如果在最好的情況下，其精準度甚至可以達到10厘米或四英寸，這種情況已經非常不錯了，它甚至可以用來測試定位樁是否足夠準確。與此同時，美國聯邦航空局、海岸警衛隊、以及交通運輸部卻要求停止使用SA信號。2000年，時任美國總統的比爾柯林頓命令提升民用GPS質量，不再允許所謂的「選擇可用性」，美國政府的GPS網站上說，「美國沒有意圖再使用選擇GPS可用性了。」

如今，汽車內的GPS接收器可以精準定位到10至15米的範圍，而且其中的衛星接收器模塊成本也只有幾美元而已。單獨的GPS接收器，精準度可以達到3米範圍，如果你使用的是價格更貴，質量更好的衛星接收器模塊，甚至可以精準定位到幾厘米的範圍。美國天寶公司推出的Total Station GPS系統，售價高達2.5萬美元，它的精準度可以控制在一英寸範圍內。這意味著在高精度GPS系統的控制下，你甚至可以遠程控制道路施工設備，整平並修整地面，最終鋪設一條公路出來。

如果你有一個老式汽車導航系統，它的定位精準度大概在15米範圍左右，那麼這個導航系統會做些小把戲。如果你的高速公路上向北行駛，附近沒有其他道路，位置圖標會與道路對齊；如果你在雙向之間有分車帶的公路上開車，那麼導航系統就會對齊到向北的道路上。如果你轉彎，或是繞圈行駛，導航也會進行自我校正。GPS導航也會使用一個內置的羅盤，運動感測器，以及測速儀，它會準確判斷出你是否進入到隧道。（如果你在一個隧道里，那麼會看到當前位置圖標在隧道中間，精準度可以達到一輛汽車長度的範圍，非常完美。）

除了顯示地圖，GPS還能為汽車做什麼？

顯然，汽車裡的GPS可以在地圖上準確定位，但實際上，它還可以做很多其他事情，下面就舉幾個例子：

自動碰撞通知。在汽車事故中，如果汽車裝配了車載資訊處理系統，比如通用的安吉星（OnStar），汽車會自動向車載資訊遠程呼叫中心報告所在位置，然後呼叫距離你最近的公共安全應答點（PSAP），或幫你撥打緊急電話。此外，使用Ford&Sync，還可以通過藍牙連接的手機直接撥打電話。通常路過的司機也會幫忙撥打緊急電話，但如果車禍發生在一個比較偏僻的地方，說不定好久才有一輛汽車路過。

增強型的自動天體導航添加了很多非GPS信息，比如失事的地理位置和車輛破損程度，還有如果汽車翻車了，乘客是否有系安全帶。寶馬和通用汽車正在研究相關演算法，可以預測當汽車出車禍時，乘客嚴重受傷的可能性；這些汽車公司相信，他們的演算法足夠準確，能夠幫助處理安全事故的工作人員判斷，是否需要派遣醫療救援直升機（主要出於成本考慮，因為使用一次醫療救援直升機的費用大約是5千到1.5萬美元）。上面提到的這一切，如果沒有GPS信號都是無法實現的。

可預測前照燈。首先是前照燈，然後是好的前照燈（包括氙氣大燈，LED大燈，以及激光大燈），再下來是轉向大燈（當你的方向盤朝右打的時候，車輪向右，右轉燈就會打開）。現在，如果有了GPS信號，當你駛向路口時，汽車就會預先判斷出你要轉向，繼而打開車燈。據悉福特汽車公司正在試運行一款根據GPS信號判斷的轉向燈。

延長混合動力汽車，電動汽車的行駛里程。電動汽車，或者是混合動力汽車，需要儘可能的保持電量充足，才能行使更長的里程。但是很多爬坡，或是路況不好的地段往往特別耗電，舉個例子，如果讓你的電動車在略微有些坡度的高速公路上行駛一段時間，貌似不會有太大問題。但是，如果地圖數據顯示了GPS位置，然後告訴你目前的充電量在完成上坡路段之後，只能再開2.5公里，那麼或許你在上坡之前，就該考慮一下是不是要給自己的汽車充電了。

服務。當你搜索附近距離最近的漢堡王時，就得依靠GPS來幫忙了。不過GPS服務仍然需要做的更好一些，很多第三方App，還有車載導航系統里的資料庫，真的需要思考一下如何提供用戶想要的服務，要知道，人們想要的是距離最近的漢堡王，而不是20里外的漢堡王。

智能手機App。如果你的汽車裡有車載資訊處理系統，那麼肯定會有與之配套的App，你可以在自己的手機上操作很多功能，比如遠程啟動汽車，或是遠程關閉車門。據說還有一款基於GPS的定位App應用，如果你把車停在一個巨大的商場停車場，購物之後想不起來具體停在哪個車位上，此時這款App應用就會將你引導到自己的汽車邊上。

智能車庫門開啟器。許多汽車有HomeLink車庫門開啟器。汽車的中控台已經被各種各樣的按鍵佔滿了，如果讓車主在手工去操作打開車庫門似乎還真的有點兒low了，此時GPS的作用就發揮出來了，當你距離車庫還有半英里的時候，中控顯示屏上的右邊就會彈出一個按鍵，你只需觸摸點擊一下，車庫門就會自動打開。

校準車速里程錶。美國聯邦監管機構要求汽車的車速里程錶不能少報車速。集成GPS可以把你的車速里程錶校準到最準確的速度上。如果你有一個攜帶型導航設備，通常可以顯示出你的車速。

提供最佳車道建議。如今，一些好的導航系統具有車道出口顯示功能，告訴司機哪些是直通車道，哪些是駛出車道，哪些既能直通，又能駛出。一些定位更準確的GPS，甚至會在你需要駛出車道，或是需要變道之前，給司機進行提示。

GPS和自動駕駛汽車

自動駕駛汽車依靠視覺（或雷達）感測器，和三維地圖來準確定位，也能因此判斷出哪些地方有危險。此時，如果GPS能夠精準定位到英寸級別的範圍，而不是一米或五米範圍，那麼將會發揮更大的作用。事實上，這種技術已經誕生了。至少，自動駕駛汽車需要把自己放在一個12英尺寬的車道中間，並且車輛來回搖晃幅度的範圍不能超過一英尺。帶有後視鏡的汽車大約有六到七英尺寬。如果考慮到里中心位置存在一定的偏離度，那麼可以在汽車兩邊在延長出1.5到2英尺的安全距離。如今，利用相關視覺輔助系統可以通過定位車道標記來跟蹤汽車的位置。

當汽車搭載上超精準的GPS，就可以扮演汽車感測器的「獨立審計員」。GPS可以判斷出車道偏離警示系統（LDW）可能不是表現的很好，並提醒車主。如果是下雨或是下雪天，視覺系統的功能可能會略有下降，因為有些車道標線可能會被雨雪給覆蓋掉，此時GPS將會繼續幫助汽車保持在車道中央行駛。

在惡劣天氣里，有些車輛仍然需要外出工作，比如掃雪車，此時如果有GPS，不僅可以引導車輛方向，超速時提醒司機保持中速行駛，還可以在偏離既定路線時發出警報。在未來的五年時間裡，雖然讓自動駕駛汽車實現每小時60英里的速度有些困難，但是每小時30英里應該不難實現。

購買建議

上世紀90年代中期，世界上首款嵌入式車載導航系統出現在了寶馬7系車上，成本約為2500美元（放在2015年，相當於4千美元）。如今，超過1千美元的導航系統已經是鳳毛麟角了，一般的導航系統售價基本是在500美元（或以下），部署這些導航設備的汽車售價基本上都是在5萬美元以上。另外值得一提的是，現在汽車中控裝載彩色LCD屏幕已經是標配了，因此導航也成為了汽車必不可少的一項服務功能。嵌入式導航系統的主要優點就是屏幕大（對角線為7英寸到10英寸），二級導航顯示一般會放在儀錶盤或是擋風玻璃顯示屏上，相對於攜帶型導航已和智能手機導航，車載導航的控制旋鈕和操作按鍵更大。此外，汽車車頂都會裝上鯊魚鰭式天線，這樣可以更快速的啟動定位。汽車導航系統幾乎從來不會被人偷掉，而且也沒有煩人的電線。

智能手機通常具有較強的語音識別功能，比如，你會使用Siri說，「Siri，告訴我去球場的方向」。很多導航App應用要麼非常便宜，要麼就是免費的，甚至連升級都是免費的。相比而言，一般汽車導航升級需要花費一百美元到兩百美元不等。

蘋果的CarPlay和Google的Andriod Auto則都具有整合優勢，他們的導航系統幾乎都有內置的地圖應用，即蘋果地圖和谷歌地圖，當你把這些應用連接到汽車上之後，GPS導航便可以顯示在汽車LCD顯示屏上，並通過汽車的按鈕和旋鈕進行操控。

如果你選擇購買車載GPS導航系統，那麼必須知道這種產品的淘汰率比較高，換句話說，如果你現在購買一套車載GPS導航系統，那麼肯定會比當前市面上的攜帶型導航設備好，但是隨著時間的過去，很快就會有更好的便攜GPS導航設備超越你的車載導航系統。到目前為止，沒有汽車製造商提供主機或GPS模塊更新服務，如果你想隨時隨地使用最新的GPS導航系統，那麼最好的方法不是買買買，而是租個設備用用。

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