数学证明:精确导航需要五颗卫星

2025-08-06 11:14来源:本站

  

  

  一般来说,GPS显示我们位置的精度只有几米。但我们都经历过这样的情况可能的误差增加到几百米,或者指示的位置完全错误。造成这种情况的一个原因可能是具有视距co的卫星数量较少与导航装置接触或卫星的相对排列不利。

  GPS卫星配备了极其精确的原子钟,可以随时知道自己的位置。他们用无线电波不断地传送时间和位置。移动电话或其他导航设备在其视线范围内接收来自所有卫星的这些信号。接收机到达本地时钟的时间与卫星时钟记录的传输时间之差,即信号从卫星到达接收机所花费的时间(“飞行时间”)。由于无线电波以光速传播,所以传播的时间决定了信号所覆盖的距离。卫星的位置和距离被用来用方程组计算接收机的位置。

  这种简化的描述没有考虑到接收器中的本地时钟不是原子钟这一事实。如果误差仅为百万分之一秒,那么计算出的位置将至少误差300米。GPS的问题是需要手机或其他导航设备来确定精确的时间和位置——在相对论中称为时空。

  如果视线内的卫星太少,系统就不能可靠地工作,并提供多种解决方案,换句话说,接收器可能在几个不同的位置。这可能会导致手机显示错误的位置或根本没有位置。到目前为止,需要多少颗卫星才能获得GPS问题的唯一解,这只是一个推测。

  TU/e的离散代数和几何教授Mireille Boutin和TUM的算法代数教授Gregor Kemper现在已经提出了一个数学证明,表明在五颗或更多卫星的情况下,几乎在所有情况下都可以唯一地确定接收器的确切位置。虽然这是一个长期存在的猜想,但没有人能够找到证据。这绝非易事:我们花了一年多的时间才解决这个问题,”格雷戈尔·肯珀说。目前,地球上的每个地点在任何时候都至少与四颗卫星保持视线接触。“粗略地说,在只有四颗卫星的情况下,找到唯一解决GPS问题的可能性似乎是50%。证明这一说法是我们下一个项目之一,”肯珀说。如果视线范围内的卫星数量不超过三颗,GPS导航系统肯定无法工作。

  研究人员通过用几何术语描述GPS问题得出了证明。他们发现,如果卫星位于两片旋转的双曲面上,接收器的位置就不能唯一确定。这是一个向所有方向开放的曲面。虽然这个结果是理论上的,但它具有实际的好处,可以更好地理解确定位置时的不准确性。

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