#2020珠峰沖頂測量開啟#

對於有些朋友來說，天底下沒有一部手機不能搞定的事，如果不行，那就換一部手機。

這不，聽到中國將再次測量珠穆朗瑪峰高程，網上就有些不高興的聲音：「拿一部手機放在珠峰頂上，打開GPS不就知道海拔多少了，幹嘛興師動眾地浪費錢？」

聽起來似乎挺有道理，手機可以通過GPS定位，裝個APP也能測海拔。但放一部手機果真能測出珠峰準確的高度嗎？我們今天就來分析分析。

GPS是個啥？

不知從何時起，GPS儼然成了所有「衛星定位系統」的代名詞。GPS是英文「Global Positioning System（全球定位系統）」的縮寫，是 「global navigation satellite systems (全球衛星導航系統GNSS) 」的一個分支。也就是說我們提到的美國的GPS、歐洲的伽利略（Galileo）、俄羅斯的格洛納斯（GLONASS）和中國的北斗系統（Beidou）都統稱為GNSS，只是許多人習慣性地將衛星定位叫作GPS罷了。

作為冷戰產物，GPS最早是為美國軍方開發的，它可以為美軍飛機、艦船、車輛、士兵甚至飛彈提供定位和導航信號，為美國全球軍事霸權服務。1980年代開始，美國政府決定開放民用版本來實現創收，也就是說民間可以免費使用不那麼精確的信號頻率實現定位，但你生產晶片和使用軟體要付錢，事實上你我手裡支持GPS的晶片和軟體都是已經由廠家付過錢的。

GNSS靠什麼來定位？

GPS衛星導航系統有32顆衛星在軌運行，其中有24顆保持工作，它們分布於6個距離地面約20000公里的中距離傾斜軌道上，約每12小時繞地球旋轉一周。一般情況下，你頭頂上始終會有四顆以上的GPS衛星在發送信息。

北斗三號衛星星座共有35顆衛星，比GPS更多，精度也更高。

每一顆GNSS衛星在飛行的過程中都會一刻不停地向地面廣播自己的坐標和時間，也就是說我什麼時間位於天上的某一個位置：「我在這裡，我在這裡，我在這裡......」我們知道電磁波的傳輸是需要時間的，這就是光速。當地面設備接收到衛星的信息時，它可以根據電磁波走過的時間算出與衛星的相對距離（偽距）並且知道衛星大致的方位。

但一顆衛星並不足以定位地面上的物體坐標，因為當衛星的位置已知時，同樣的偽距在地面上劃出的是一個大大的圓。為了更精確地測量，任何一台設備需要同時接收至少四顆不同位置的衛星信號，通過對這些衛星的距離和方位角進行分別運算，算出信號匯聚的一個共同點，就是你自己的位置信息。

GNSS定位的精度是多少？

要想知道GNSS的精度極限，我們先得搞清楚兩個重要概念：時間和光速。

時間是什麼？時間是對物質變化過程的度量，地球繞太陽運動一周是一年；地球自轉一周為一日；人的心臟跳動一下大約是0.8秒；眨一下眼睛大概是0.1秒，我們常以「眨眼之間」來形容時間過得很快。對於時間的定義有很多，科學家定義的最短時間間隔稱為「普朗克時間」，它是1.911×10^-43 秒。

普朗克時間是指光在真空中行進1個普朗克長度所需要的時間，而光在真空中的速度被定義為每秒299792458米。在物理學中，光速是一個測量出來的值，也是一個規定的常量，現代物理學認為光在真空中的速度是不變的。

儘管普朗克時間非常精確，但到目前為止它只是一個計算出來的結果，沒有哪台科學儀器可以達到這個精度。而科學家們普遍採用的是銫原子鐘來計量時間，因為銫原子在兩個超精細基態之間的振動頻率是9192631770Hz，這是目的可以測量的最精細單位了。

光在銫原子振動一個周期時間裡走過的距離是3.26厘米，因此這也是單顆GNSS衛星距離精度的理論極限。

但實際上你可能也聽說過，北斗三號的定位精度可以達到毫米級，這究竟是為什麼呢？

後來者有「後發優勢」，北斗衛星確實比GPS的精確度更高，但我們在前面也說了由於銫原子鐘的頻率關係，偽距計算的極限是3.26厘米，衛星定位系統更精確的數值都是通過對地面站坐標的精確測量、多顆衛星數據再經過複雜計算得出來的結果。一般來說，北斗的民用版本的定位精度為米級，軍用的可以達到10厘米以內。

在珠峰頂上放一部手機，測量的誤差如果是十幾厘米，這對於科學研究來說沒太大意義，不如不測。

手機測海拔的誤差實際要大得多

細心的朋友也許注意到，我前邊計算衛星定位極限時用的是銫原子鐘的頻率9192631770Hz，也就是大約9200MHz。實際上這是時鐘頻率，無論GPS、北斗或其它的導航衛星都不會以這個頻率發送信號，它們的信號頻率大約在1200~1600MHz之間，所以理論上這些導航系統的最高偽距精度應該大於10厘米。

不僅如此，影響GNSS定位精度的因素還有很多。

GNSS衛星在距離地面2萬公里的高度飛行，它的信號在到達地面之前需要穿越大氣層上區的電離層，電磁波會在電離層發生折射。折射會拉長電磁波傳輸的距離，使其到達接收機的時間出現延遲；並且，當對流層天氣狀況不理想時，雲層中大量的電荷也會對衛星傳輸信號造成干擾。

再一個因素還是在於衛星。一方面官方會將GNSS的發射波段分開，給軍方使用的精度更高，而開放給民用的代碼經過模糊處理，就要差很多，通常都是米級。GPS的水平方向精度大約是3米左右，垂直誤差在5~7米，當你有特殊要求（比如架橋打樁）時，花大錢，他可以開放給你高精度的信號，以後有機會我們再詳細講。在測量的過程中，對衛星的選擇也很重要，假如設備接收信號的四顆衛星彼此之間距離很近，扎堆，那麼你得到的誤差就很大；而只有在衛星分散開來時，測量的精度才會更高。

時鐘的精度對定位精度的影響也十分巨大。儘管衛星和地面站都採用了高精度的原子鐘，但星地之間原子鐘要保持完全同步卻比較難；同時，我們定位設備的時鐘也需要保持同步，否則哪怕衛星上的時鐘再精確，你的手機時鐘不准那也是白瞎。

總結：

綜上所述，用手機、車載導航儀或別的什麼民用GPS定位裝置來測量珠峰高度，這種話聽聽就好，千萬不要當真。從GNSS定位的原理我們可以得出結論，將一部手機或別的什麼東西帶到珠峰頂上，是不可能得出準確的數據的。

科學家測量珠穆朗瑪峰高度是基於科學需要，我們通過精確測量珠峰的海拔高程和坐標位置，可以判斷印度板塊對歐亞大陸板塊的擠壓情況，從而推斷出青藏高原地區未來的地質變化趨勢，為經濟建設和國家安全提供科學參考。

那麼，科學家們究竟是通過什麼方法為珠峰量「身高」？北斗定位系統在其中到底起著哪些作用？鑒於篇幅所限，我將在以後為你解答。