GPS為什麼知道你在哪裡？

想像我們在山裡迷路了。天快黑了，四周的樹長得很像，根本分不清楚方向。這時候，我們打開手機地圖，螢幕上出現一個藍色小點。這個藍色小點為什麼知道我們在哪裡？其實，手機不是用眼睛看見我們，也不是知道我們是誰。它是接收天空中 GPS 衛星傳來的訊號，再根據訊號傳送和收到之間的時間差，算出自己大概在哪裡。衛星會告訴手機什麼？GPS 衛星就像在天空中不停報時的廣播站。它們會傳送兩種重要資訊：「我在什麼時間發出這個訊號。」「我現在位於天空中的哪個位置。」GPS 衛星上有非常精準的原子鐘，衛星的位置也一直被地面系統追蹤。GPS 衛星大約每 12 小時繞地球一圈，不斷把時間和位置資訊傳給地面上的手機。手機怎麼算出距離？手機會比較兩個時間：衛星什麼時候發出訊號、手機什麼時候收到訊號。訊號傳得非常快，速度接近光速，因此，訊號花費的時間越久，通常表示衛星離手機越遠。手機就可以利用這段時間差，估算自己和衛星之間的距離。不過，這裡有一個問題：就算時間只差一點點，換算成距離後，也可能差上好幾百公尺，所以 GPS 必須非常精確計算時間。一顆衛星還不夠假設手機知道自己離第一顆衛星大約 2 萬多公里。那麼，手機可能在以這顆衛星為中心，可是這個球面太大了，手機還是不知道自己到底在哪一點。再加入第二顆衛星後，兩個球面會交會，縮小成一條線。再加入第三顆衛星後，範圍會再進一步縮小，手機就能推測出幾個可能的位置。這種方法叫做「三邊測量」，也可以簡單理解成：用好幾個距離，一起交叉比對出自己的位置。為什麼還需要第四顆衛星？因為手機裡的時鐘沒有衛星上的原子鐘那麼精準。如果手機時鐘慢了一點，手機就會以為訊號花了比較久才抵達，於是把距離算得太遠。如果手機時鐘快了一點，手機也會把距離算錯。由於訊號跑得非常快，這一點時間誤差，就可能造成很大的位置錯誤。所以，手機不只要找出自己的位置，還要同時找出：自己在東西方向的位置、自己在南北方向的位置、自己的高度、手機時鐘快了或慢了多少。前三項是位置問題，最後一項是時間問題，總共有四個未知數，因此，通常需要第四顆衛星來幫忙校正時間。GPS只負責計算位置它不知道：你是誰、你正在走路還是站著、前方有沒有懸崖、那條線是不是安全的路、你是不是已經受傷。手機地圖會把 GPS 算出來的位置，和道路、步道及地形資料放在一起，才顯示出我們好像位在某條路上。所以如果藍色小點看起來偏離步道，不一定代表我們真的走錯很多路，也可能是 GPS 有誤差，或是地圖上的步道路線不夠精確。為什麼 GPS 有時會飄？在天空開闊、沒有太多遮蔽物的地方，GPS 通常比較準。但在山區或城市裡，定位可能會出現誤差。常見原因有：樹木和山壁擋住訊號，在森林、深山谷或高山峭壁旁，手機可能收不到足夠的衛星訊號，因此位置會比較不穩定。「大樓讓訊號反彈」，在城市裡，GPS 訊號可能先撞到大樓，再反射到手機，手機收到的訊號繞了遠路，就會誤以為衛星離自己更遠，位置也可能算錯。這種情況叫做「多重路徑效應」。大氣會讓訊號速度改變GPS 訊號穿過大氣層時，速度可能受到一些影響，雖然變化很小，但 GPS 計算時仍要把它修正回來。不同手機的天線、晶片、軟體和省電設定都不一樣，也可能造成定位品質不同，如果手機收到的幾顆衛星都集中在天空同一邊，定位誤差可能比較大。如果衛星分散在不同方向，手機就比較容易算出穩定的位置。沒有手機訊號，GPS 還能用嗎？GPS 和手機網路是兩回事，GPS 是接收天空中衛星的訊號。手機網路是用來打電話、上網和傳送資料。所以，即使山裡沒有手機訊號，手機仍然能接收到 GPS，算出自己的位置，但是，如果沒有網路，也沒有事先下載離線地圖，手機可能只能知道一組座標，卻看不到完整的地圖和步道路線。GPS 對我們有什麼用？當我們迷路時，GPS 最重要的功能不一定是告訴我們「應該往哪裡走」，而是幫助我們知道：我們最後可能會在哪裡，這是可以提供給搜救人員的線索：我們最後可能會在哪裡的位置與訊號。