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除了导航,GPS还有哪些超强功能?

时间: 2019年12月11日 | 作者: Alexandra Witze | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
在导航时,我们经常会用到GPS。作为现代人的指南针,GPS除了原始的导航功能外,还有着一些普通人并不了解、但至关重要的应用。



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撰文 | Alexandra Witze

翻译 | 刘哲人

编辑 | 马晓彤 石云雷


携带智能手机等GPS设备,常会让我们感觉自己是交通导航方面的专家。只要有GPS设备,我们甚至可以在偏僻的地区找路。尽管如此,GPS(全球定位系统,所有现代导航技术的基础)能做到的事情,还是会让我们感到惊讶。


GPS由一组卫星组成,这些卫星能将信号发送至地球表面,而一个基本的、类似手机上的GPS接收器,可以接受和测量四个或更多卫星的信号的到达时间,以此来确定我们的位置,误差大约在1至10米以内。


利用更先进的GPS接收机,科学家们可以将一个地点精确定位,误差仅在几厘米甚至几毫米。利用这种精细的信息以及新的信号分析方法,科学家利用GPS获得的地球信息,可能比想象中要多得多。


在过去的十年中,更快、更准确的GPS接收器,使科学家能够了解大地震中地面的运动方式。GPS接收器促进了更好的自然灾害(如洪水与火山爆发)预警系统的诞生。研究人员甚至将部分GPS接收器改造成冰雪传感器、验潮仪和其他用于测量地球的工具。


科罗拉多大学博尔德分校的地球物理学家Kristine Larson这样说,“最开始我谈及这些应用时,人们以为我疯了,但事实证明我们能够做到这些。” 他主导了其中的多项研究。


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图片来源:UNAVCO



感知地震


几个世纪以来,地质学家一直依靠地震仪测量地面晃动的程度,来评估地震的规模和严重程度。而GPS接收器能跟踪发生在更慢尺度上的地质过程,例如,在板块构造过程中,地壳在相互碾磨的速率。除了地震仪测量的地震中圣安德烈亚斯断层(San Andreas Fault)破裂时的地面震动,科学家可以通过GPS可以知道,断层两侧相对的移动速度。


大多数研究人员认为,在地震评估中,GPS根本无法准确快速地测量位置。但事实证明,科学家可以从GPS卫星传输到地球的信号中挖掘出更多信息。


这些信号可分为两部分。一部分是每个GPS卫星发射的、只包含1和0序列的测距码。另一部分是较短波长、由卫星发出的传输测距码的载波信号。由于同测距码(几十或几百米)相比,载波信号具有更短的波长(仅20厘米),因此载波信号提供了一种高精度的地表定位方法。


由于工程师提高了GPS接收器更新位置的速率,它们可以每秒刷新20次或更多。当研究者意识到GPS可以迅速地进行精确测量后,他们便开始使用它来检测地震时地面的运动方式。


2003年,Larson和同事最先开展了此类研究,她们利用了遍布美国西部的GPS接收器,研究了在阿拉斯加7.9级的地震中,由地震波导致的地面移动。截至2011年,研究人员已经能将GPS数据用于检测那场巨大的、摧毁日本的9.1级地震。数据显示,在地震发生时,海底移动了惊人的60米。


如今,科学家对“利用GPS数据协助快速评估地震”的认识更加广泛。俄勒冈大学的Diego Melgar和美国地质调查局(USGS)的Gavin Hayes重新研究了12次大型地震,以观察GPS能否在地震开始后的几秒钟内,分析出地震将达到的程度。他们发现,结合地震震中附近GPS站点采集到的信息,可以在10秒内确定地震的震级会是破坏性的7级,还是毁灭性9级。


美国西海岸的研究人员甚至已将GPS整合到了最新的地震早期预警系统中,该系统可以检测地面震动,并通知较远城市的人们震感是否会很快抵达。智利已经建立了它的GPS网络,以便更迅速地获取更准确的信息:这有助于计算海岸附近地震引发海啸的可能性。


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图片来源:Knowable Magazine



监测火山?


除地震外,我们还能利用GPS的检测速度,对其他自然灾害更迅速地做出的反应。


例如,许多火山观测站将GPS接收器排列在所监测的山脉周围,因为岩浆在地下移动通常也会引起地表的移动。通过监测火山周围的GPS站随时间上升或下降的规律,研究人员可以更好地了解融岩流动的位置。


去年,在夏威夷的基拉韦厄火山大喷发之前,研究人员使用了GPS检测器了解火山的哪些部分移动最快。而这些信息,可以被用来决定需要疏散的居民地区。


在火山爆发后,GPS数据也很有用。由于信号从卫星传播到地面,必须穿过火山喷入空中的物质。2013年,几个研究组研究了四年前阿拉斯加的里道特火山(Redoubt volcano)喷发时获得的GPS数据,发现这些信号在喷发开始不久后就失真了。


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图片来源:pixabay


通过研究这些失真信号,科学家可以估算火山灰的喷出量及其扩散速率。在随后的一篇论文中,Larson称之为“检测火山羽流(volcanic plumes)的新方法。”


她和同事一直在研究利用手机的各种GPS接收器,而非昂贵的专业接收机来实现此目的。这使火山学家能够建立一个相对低廉的GPS网络,并在火山灰羽流上升时对其进行监测。而对于飞机来说,火山羽流是一个大问题,为了不让火山喷出的微粒堵塞喷气发动机,飞机必须绕开灰烬飞行。



探查冰雪


GPS信号中最混乱的部分——地面反射的信息,还有一些出乎意料的应用。


典型的GPS接收器如手机,通常会选择接收直接来自上方GPS卫星的信号。但它也同样会接收一些地面反射到手机的信号。


多年以来,科学家一直认为这些反射信号不过是噪声:一种会污染数据的反射波,会干扰人们对真实数据的判断。但大约15年前,Larson和其他人开始思考,能否充分利用专业的GPS接收器接收的反射波。她开始研究由地面反射的信号的频率,以及这些信号与直接到接收器的信号的结合方式。据此,她可以推测反射表面的材料。Larson说,“我们只是对这些反射波进行了逆向工程分析。”


这种方法使科学家能了解GPS接收器下方地面的相关信息,例如土壤含水量或地表积雪量。另外,在以积雪作为主要水源的山区,GPS站可以用作积雪传感器来测量积雪深度。


这项技术在几乎没有全年降雪监测气象站的北极和南极也很有效。在2007年至2017年间,就职于科罗拉多矿业学院的Matt Siegfried和同事研究了,南极洲西部23个GPS站的冰雪积累情况。利用获得的数据,他们可以直接测量积雪量的变化。毋庸置疑,这些数据信息对评估南极冰盖冬季积雪量与夏季融雪量的比较关系,是至关重要的。



感知土地下沉


起初,GPS还只是一种实时位置测量方法,但它在监测水位变化方面也很有用。


今年7月,博尔德UNAVCO地球物理研究组织的工程师John Galetzka,在孟加拉国恒河和雅鲁藏布江的交界处安装了GPS站。此举的目的是测量河流沉积物是否因压迫致密化,地面是否正在缓慢下沉,是否在热带台风带来的强降雨和海平面上升时,更容易引发洪水。“GPS是一个出色的工具,” Galetzka说,“并且它不止能帮助解决一个问题。”


在该地区红树林边缘的Sonatala农业社区中,Galetzka和同事在一所小学的混凝土屋顶上放置了一个GPS测站,并在附近稻田中插进土地的树杆上放置了第二个GPS站。如果地面真的在下沉,那么第二个GPS站看起来就会像是从地面慢慢冒出来一样。通过测量站点下方的GPS反射,科学家们还可以测量,如雨季稻田的积水量等一系列指标。


海洋学家和水手也可以用GPS接收器来用作验潮仪。Larson在处理阿拉斯加卡彻马克湾(Kachemak Bay)的GPS数据时偶然发现了这一点。该站为研究建筑变形而建立,但这一海湾也存在美国最大的潮汐涨落现象。Larson查看了由水面反射到达接收器的GPS信号,发现它们几乎可以像附近海港真正的验潮仪一样准确地追踪潮汐变化。这可能会帮助尚未设置长期验潮仪的地区,但前提是这些附近必须恰好有GPS站。



分析大气成分


最后,GPS能以科学家在几年之前还认为不可能的方式,筛选出有关大气的信息。水蒸气,带电粒子和其他因素都会延迟GPS信号在大气中的传播,基于此,研究人员能做出新的发现。


一组科学家使用GPS接收器来研究大气中,以雨或雪的形式产生降水的水蒸气含量。研究人员利用这些数据信息来计算大雨带来的降水量,从而使天气播报员能够对南加州等地的山洪预测结果,进行更为精细的调整。在2013年7月的一场暴风雨中,气象学家使用GPS数据来跟踪湿润季风在岸上的移动,在山洪暴发前17分钟,发布了关键的预警信息。


当GPS信号在大气电离层(即高层大气的带电部分)中传播时,也会受到影响。而海啸的力量能使大气产生变化,这种变化可以影响至电离层。科学家已开始利用GPS数据跟踪海啸在洋面以下运动时,大气电离层的变化。将来,这项技术或许可以补充传统的海啸预警方法:即使用遍布海洋的GPS浮标观测点,来测量海啸震荡波的高度。


科学家甚至已经能利用GPS来研究日全食产生的影响。2017年8月,科学家就利用美国各地的GPS观测站,测量了当月球阴影在大陆上空移动,原本可以产生电子的光变暗时,高层大气中电子数量下降的过程。


从脚下的地震到天上的降雪,我们都能用GPS来进行检测。对于一样原本只是用来帮我们在城镇找路的工具,GPS真的是太强大了。


原文网址:

https://www.scientificamerican.com/article/gps-is-doing-more-than-you-thought/