在導航時，我們經常會用到GPS。作為現代人的指南針，GPS除了原始的導航功能外，還有著一些普通人并不了解、但至關重要的應用。

撰文|AlexandraWitze

攜帶智能手機等GPS設備，常會讓我們感覺自己是交通導航方面的專家。只要有GPS設備，我們甚至可以在偏僻的地區找路。盡管如此，GPS（全球定位系統，所有現代導航技術的基礎）能做到的事情，還是會讓我們感到驚訝。

GPS由一組衛星組成，這些衛星能將信號發送至地球表面，而一個基本的、類似手機上的GPS接收器，可以接受和測量四個或更多衛星的信號的到達時間，以此來確定我們的位置，誤差大約在1至10米以內。

利用更先進的GPS接收機，科學家們可以將一個地點精確定位，誤差僅在幾厘米甚至幾毫米。利用這種精細的信息以及新的信號分析***，科學家利用GPS獲得的地球信息，可能比想象中要多得多。

在過去的十年中，更快、更準確的GPS接收器，使科學家能夠了解大地震中地面的運動方式。GPS接收器促進了更好的自然災害（如洪水與火山爆發）預警系統的誕生。研究人員甚至將部分GPS接收器改造成冰雪傳感器、驗潮儀和其他用于測量地球的工具。

科羅拉多大學博爾德分校的地球物理學家KristineLarson這樣說，“最開始我談及這些應用時，人們以為我瘋了，但事實證明我們能夠做到這些。”他主導了其中的多項研究。

圖片來源：UNAVCO

感知地震

幾個世紀以來，地質學家一直依靠地震儀測量地面晃動的程度，來評估地震的規模和嚴重程度。而GPS接收器能跟蹤發生在更慢尺度上的地質過程，例如，在板塊構造過程中，地殼在相互碾磨的速率。除了地震儀測量的地震中圣安德烈亞斯斷層（SanAndreasFault）破裂時的地面震動，科學家可以通過GPS可以知道，斷層兩側相對的移動速度。

大多數研究人員認為，在地震評估中，GPS根本無法準確快速地測量位置。但事實證明，科學家可以從GPS衛星傳輸到地球的信號中挖掘出更多信息。

這些信號可分為兩部分。一部分是每個GPS衛星發射的、只包含1和0序列的測距碼。另一部分是較短波長、由衛星發出的傳輸測距碼的載波信號。由于同測距碼（幾十或幾百米）相比，載波信號具有更短的波長（僅20厘米），因此載波信號提供了一種高精度的地表定位***。

由于工程師提高了GPS接收器更新位置的速率，它們可以每秒刷新20次或更多。當研究者意識到GPS可以迅速地進行精確測量后，他們便開始使用它來檢測地震時地面的運動方式。

2003年，Larson和同事最先開展了此類研究，她們利用了遍布美國西部的GPS接收器，研究了在阿拉斯加7.9級的地震中，由地震波導致的地面移動。截至2011年，研究人員已經能將GPS數據用于檢測那場巨大的、摧毀日本的9.1級地震。數據顯示，在地震發生時，海底移動了驚人的60米。

如今，科學家對“利用GPS數據協助快速評估地震”的認識更加廣泛。俄勒岡大學的DiegoMelgar和美國地質調查局（USGS）的GavinHayes重新研究了12次大型地震，以觀察GPS能否在地震開始后的幾秒鐘內，分析出地震將達到的程度。他們發現，結合地震震中附近GPS站點采集到的信息，可以在10秒內確定地震的震級會是破壞性的7級，還是毀滅性9級。

美國西海岸的研究人員甚至已將GPS整合到了最新的地震早期預警系統中，該系統可以檢測地面震動，并通知較遠城市的人們震感是否會很快抵達。智利已經建立了它的GPS網絡，以便更迅速地獲取更準確的信息：這有助于計算海岸附近地震引發海嘯的可能性。

圖片來源：KnowableMagazine

監測火山？

除地震外，我們還能利用GPS的檢測速度，對其他自然災害更迅速地做出的反應。

例如，許多火山觀測站將GPS接收器排列在所監測的山脈周圍，因為巖漿在地下移動通常也會引起地表的移動。通過監測火山周圍的GPS站隨時間上升或下降的規律，研究人員可以更好地了解融巖流動的位置。

去年，在夏威夷的基拉韋厄火山大噴發之前，研究人員使用了GPS檢測器了解火山的哪些部分移動最快。而這些信息，可以被用來決定需要疏散的居民地區。

在火山爆發后，GPS數據也很有用。由于信號從衛星傳播到地面，必須穿過火山噴入空中的物質。2013年，幾個研究組研究了四年前阿拉斯加的里道特火山（Redoubtvolcano）噴發時獲得的GPS數據，發現這些信號在噴發開始不久后就失真了。

圖片來源：pixabay

通過研究這些失真信號，科學家可以估算火山灰的噴出量及其擴散速率。在隨后的一篇論文中，Larson稱之為“檢測火山羽流（volcanicplumes）的新***。”

她和同事一直在研究利用手機的各種GPS接收器，而非昂貴的***接收機來實現此目的。這使火山學家能夠建立一個相對低廉的GPS網絡，并在火山灰羽流上升時對其進行監測。而對于飛機來說，火山羽流是一個大問題，為了不讓火山噴出的微粒堵塞噴氣發動機，飛機必須繞開灰燼飛行。

探查冰雪

GPS信號中最混亂的部分——地面反射的信息，還有一些出乎意料的應用。

典型的GPS接收器如手機，通常會選擇接收直接來自上方GPS衛星的信號。但它也同樣會接收一些地面反射到手機的信號。

多年以來，科學家一直認為這些反射信號不過是噪聲：一種會污染數據的反射波，會干擾人們對真實數據的判斷。但大約15年前，Larson和其他人開始思考，能否充分利用***的GPS接收器接收的反射波。她開始研究由地面反射的信號的頻率，以及這些信號與直接到接收器的信號的結合方式。據此，她可以推測反射表面的材料。Larson說，“我們只是對這些反射波進行了逆向工程分析。”

這種***使科學家能了解GPS接收器下方地面的相關信息，例如土壤含水量或地表積雪量。另外，在以積雪作為主要水源的山區，GPS站可以用作積雪傳感器來測量積雪深度。

這項技術在幾乎沒有全年降雪監測氣象站的北極和南極也很有效。在2007年至2017年間，就職于科羅拉多礦業學院的MattSiegfried和同事研究了，南極洲西部23個GPS站的冰雪積累情況。利用獲得的數據，他們可以直接測量積雪量的變化。毋庸置疑，這些數據信息對評估南極冰蓋冬季積雪量與夏季融雪量的比較關系，是至關重要的。

感知土地下沉

起初，GPS還只是一種實時位置測量***，但它在監測水位變化方面也很有用。

今年7月，博爾德UNAVCO地球物理研究組織的工程師JohnGaletzka，在孟加拉國恒河和雅魯藏布江的交界處安裝了GPS站。此舉的目的是測量河流沉積物是否因壓迫致密化，地面是否正在緩慢下沉，是否在熱帶臺風帶來的強降雨和海平面上升時，更容易引發洪水。“GPS是一個出色的工具，”Galetzka說，“并且它不止能幫助解決一個問題。”

在該地區紅樹林邊緣的Sonatala農業社區中，Galetzka和同事在一所小學的混凝土屋頂上放置了一個GPS測站，并在附近稻田中***土地的樹桿上放置了第二個GPS站。如果地面真的在下沉，那么第二個GPS站看起來就會像是從地面慢慢冒出來一樣。通過測量站點下方的GPS反射，科學家們還可以測量，如雨季稻田的積水量等一系列指標。

海洋學家和水手也可以用GPS接收器來用作驗潮儀。Larson在處理阿拉斯加卡徹馬克灣（KachemakBay）的GPS數據時偶然發現了這一點。該站為研究建筑變形而建立，但這一海灣也存在美國最大的潮汐漲落現象。Larson查看了由水面反射到達接收器的GPS信號，發現它們幾乎可以像附近海港真正的驗潮儀一樣準確地追蹤潮汐變化。這可能會幫助尚未設置長期驗潮儀的地區，但前提是這些附近必須恰好有GPS站。

分析大氣成分

最后，GPS能以科學家在幾年之前還認為不可能的方式，篩選出有關大氣的信息。水蒸氣，帶電粒子和其他因素都會延遲GPS信號在大氣中的傳播，基于此，研究人員能做出新的發現。

一組科學家使用GPS接收器來研究大氣中，以雨或雪的形式產生降水的水蒸氣含量。研究人員利用這些數據信息來計算大雨帶來的降水量，從而使天氣播報員能夠對南加州等地的山洪預測結果，進行更為精細的調整。在2013年7月的一場暴風雨中，氣象學家使用GPS數據來跟蹤濕潤季風在岸上的移動，在山洪暴發前17分鐘，發布了關鍵的預警信息。

當GPS信號在大氣電離層（即高層大氣的帶電部分）中傳播時，也會受到影響。而海嘯的力量能使大氣產生變化，這種變化可以影響至電離層。科學家已開始利用GPS數據跟蹤海嘯在洋面以下運動時，大氣電離層的變化。將來，這項技術或許可以補充傳統的海嘯預警***：即使用遍布海洋的GPS浮標觀測點，來測量海嘯震蕩波的高度。

科學家甚至已經能利用GPS來研究日全食產生的影響。2017年8月，科學家就利用美國各地的GPS觀測站，測量了當月球陰影在大陸上空移動，原本可以產生電子的光變暗時，高層大氣中電子數量下降的過程。

從腳下的地震到天上的降雪，我們都能用GPS來進行檢測。對于一樣原本只是用來幫我們在城鎮找路的工具，GPS真的是太強大了。

原文網址：

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