淺析GPS定位基本原理

位置服務(wù)已經(jīng)成為越來越熱的一門技術(shù)，也將成為以后所有移動設(shè)備(智能手機(jī)、掌上電腦等)的標(biāo)配。而定位導(dǎo)航技術(shù)中，目前精度最高、應(yīng)用最廣泛的，自然非GPS莫屬了。我們通常所說的GPS定位指的是衛(wèi)星定位，但其實(shí)衛(wèi)星定位是GNSS(Global Navigation Satellite System)定位，GPS定位只是GNSS定位的一種。網(wǎng)絡(luò)上介紹GPS原理的專業(yè)資料很多，而本文試圖從編程人員的角度出發(fā)，以一種程序員易于理解的方式來簡單介紹一下GPS定位的基本原理。當(dāng)然，本文并沒有涉及具體的開發(fā)方面的技術(shù)。

一、GPS定位數(shù)學(xué)模型

之所以先介紹數(shù)學(xué)模型，是因?yàn)檫@個數(shù)學(xué)模型可能是程序員比較關(guān)心的問題。當(dāng)然這個模型只是根據(jù)一些GPS資料而為程序員總結(jié)出來的一個簡化模型，細(xì)節(jié)方面可能并不符合實(shí)際，想了解具體細(xì)節(jié)請參考專業(yè)的GPS講解資料。

GPS定位，實(shí)際上就是通過四顆已知位置的衛(wèi)星來確定GPS接收器的位置。

如上圖所示，圖中的GPS接收器為當(dāng)前要確定位置的設(shè)備，衛(wèi)星1、2、3、4為本次定位要用到的四顆衛(wèi)星:

(1)Position1、Position2、Position3、Position4分別為四顆衛(wèi)星的當(dāng)前位置(空間坐標(biāo))，已知;

(2)d1、d2、d3、d4分別為四顆衛(wèi)星到要定位的GPS接收器的距離，已知;

(3)Location 為要定位的衛(wèi)星接收器的位置，待求。

那么定位的過程，簡單來講就是通過一個函數(shù)GetLocation(),從已知的[Position1,d1]、[Position2,d2]、[Position3,d3]、[Position4,d4]四對數(shù)據(jù)中求出Location的值。

用程序員熟悉的函數(shù)調(diào)用來表示就是：Location=GetLocation([Position1,d1],[Position2,d2],[Position3,d3],[Position4,d4]);

二、逐層分析

一看到這個函數(shù)調(diào)用，程序員們就該來勁了：這些參數(shù)從哪里來?這個函數(shù)又是如何執(zhí)行?由誰來執(zhí)行的呢?立體幾何還沒有忘干凈的可能還要問：為什么必須要4對參數(shù)呢?那下面就來一起探究一下。

1.Position1、Position2、Position3、Position4這些位置信息從哪里來?

(1)實(shí)際上，運(yùn)行于宇宙空間的GPS衛(wèi)星，每一個都在時刻不停地通過衛(wèi)星信號向全世界廣播自己的當(dāng)前位置坐標(biāo)信息。

(2)任何一個GPS接收器都可以通過天線很輕松地接收到這些信息，并且能夠讀懂這些信息(這其實(shí)也是每一個GPS芯片的核心功能之一)。

(3)這就是這些位置信息的來源。

2.d1、d2、d3、d4這些距離信息從哪里來?

(1)我們已經(jīng)知道每一個GPS衛(wèi)星都在不辭辛勞地廣播自己的位置，那么在發(fā)送位置信息的同時，也會附加上該數(shù)據(jù)包發(fā)出時的時間戳。

(2)GPS接收器收到數(shù)據(jù)包后，用當(dāng)前時間(當(dāng)前時間當(dāng)然只能由GPS接收器自己來確定了)減去時間戳上的時間，就是數(shù)據(jù)包在空中傳輸所用的時間了。

(3)知道了數(shù)據(jù)包在空中的傳輸時間，那么乘上它的傳輸速度，就是數(shù)據(jù)包在空中傳輸?shù)木嚯x，也就是該衛(wèi)星到GPS接收器的距離了。

(3)數(shù)據(jù)包是通過無線電波傳送的，那么理想速度就是光速c，把傳播時間記為Ti的話，用公式表示就是：di=c*Ti(i=1,2,3,4);這就是di(i=1,2,3,4)的來源了。

3.GetLocation()函數(shù)是如何執(zhí)行的?

(1)這個函數(shù)是為了說明問題而虛構(gòu)的，事實(shí)上未必存在，但是一定存在這樣類似的運(yùn)算邏輯。

(2)這些運(yùn)算邏輯可以由軟件來實(shí)現(xiàn)，但是事實(shí)上可能大都是由硬件芯片來完成的(這可能也是每一個GPS芯片的核心功能之一)。

4.為什么必須要四對參數(shù)?

(1)根據(jù)立體幾何知識，三維空間中，三對[Positioni,di]這樣的數(shù)據(jù)就可以確定一個點(diǎn)了(實(shí)際上可能是兩個，但我們可以通過邏輯判斷舍去一個)，為什么這里需要四對呢?理想情況下，的確三對就夠了，也就是說理想情況下只需要三顆衛(wèi)星就可以實(shí)現(xiàn)GPS定位。但是事實(shí)上，必須要四顆。

(2)因?yàn)楦鶕?jù)上面的公式，di是通過c*Ti計(jì)算出來的，而c值是很大的(理想速度即光速)，那么對于時間Ti而言，一個極小的誤差都會被放大很多倍從而導(dǎo)致整個結(jié)果無效。也就是說，在GPS定位中，對時間的精度要求是極高的。GPS衛(wèi)星上是用銫原子鐘來計(jì)時的，但是我們不可能為每一個GPS接收器也配一個銫原子鐘，因?yàn)橐粋€銫原子鐘的價(jià)格可能已經(jīng)超過了這個GPS設(shè)備再加上使用GPS的這輛名貴汽車的價(jià)格。

(3)同時，由于速度c也會受到空中電離層的影響，因此也會有誤差;再者，GPS衛(wèi)星廣播的自己的位置也可能會有誤差。其他等等一些因素也會影響數(shù)據(jù)的精確度。

(4)總之，數(shù)據(jù)是存在誤差的。這些誤差可能導(dǎo)致定位精確度降低，也可能直接導(dǎo)致定位無效。GetLocation(函數(shù))中多用了一組數(shù)據(jù)，正是為了來校正誤差。至于具體的細(xì)節(jié)，我們就不用關(guān)心了，我們只要知道，多用一組數(shù)據(jù)，就可以通過一些巧妙的算法，消除或減小誤差，保證定位有效。這就是GetLocation()函數(shù)必須用四組數(shù)據(jù)的原因，也就是為什么必須有四顆衛(wèi)星才能定位的原因。

總結(jié)下，GPS的誤差來自：

(1)電離層導(dǎo)致的誤差;

(2)接收設(shè)備導(dǎo)致的誤差;

(3)遮擋、多徑效應(yīng)產(chǎn)生的誤差。遮擋是接收不到衛(wèi)星信號。多徑效應(yīng)是不但接收到了衛(wèi)星直發(fā)的信號，還接收到了由高大建筑物反射而來的信號，這樣傳播時間就會出來錯誤，進(jìn)而解算的位置也就會出錯。

5.GetLocation()函數(shù)返回的位置信息怎樣被GPS設(shè)備識別呢?

(1)前面說在進(jìn)行位置計(jì)算時都是用的空間坐標(biāo)形式表示，但是對GPS設(shè)備及應(yīng)用程序而言，通常需要用的是一個[經(jīng)度，緯度，高度]這樣的位置信息。

(2)那么我們可以想象，在GetLocation()函數(shù)返回位置結(jié)果前，可能會進(jìn)行一個從空間坐標(biāo)形式到經(jīng)緯度形式的轉(zhuǎn)換

(3)我們不妨假設(shè)存在一個Convert(經(jīng)緯度，空間坐標(biāo))這樣的函數(shù)來進(jìn)行這個轉(zhuǎn)換。

6.GPS為什么啟動慢?

(1)需要時間搜星;

(2)接收到的GPS信號需要解調(diào);

(3)衛(wèi)星不斷發(fā)送周期為30s的電文，要對這30s的信息進(jìn)行解析找到位置信息。

這就是所謂GPS在沒有任何知識的情況下啟動至少要持續(xù)30秒的原因。

7.單點(diǎn)定位與差分定位

(1)實(shí)際上上面所說的只是定位原理中的其中一種，稱為單點(diǎn)定位，或絕對定位：就是通過唯一的一個GPS接收器來確定位置

(2)目前定位精度最高的是差分定位，或稱相對定位：就是通過增加一個參考GPS接收器來提高定位精度

(3)上面我們已經(jīng)圍繞一個虛擬的GetLocation()函數(shù)基本搞清楚了GPS定位的基本數(shù)學(xué)模型，對于編程而言，知道這些就足夠了(其實(shí)不知道也不影響編程)。如果好奇心還沒滿足的話，我們繼續(xù)了解一些GPS相關(guān)的背景知識。

三、GPS衛(wèi)星是哪里來的?

GPS(Global Position System,全球定位系統(tǒng))，全稱為NAVSTAR GPS(NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Position System，導(dǎo)航星測時與測距全球定位系統(tǒng))。GPS是一個由美國國防部開發(fā)的空基全天侯導(dǎo)航系統(tǒng)，它用以滿足軍方在地面或近地空間內(nèi)獲取在一個通用參照系中的位置、速度和時間信息的要求。

1.GPS發(fā)展歷程

1957年10月第一顆人造地球衛(wèi)星SputnikⅠ發(fā)射成功，空基導(dǎo)航定位由此開始

1958年開始設(shè)計(jì)NNSS-TRANSIT,即子午衛(wèi)星系統(tǒng);

1964年該系統(tǒng)正式運(yùn)行;

1967年該系統(tǒng)解密以供民用。

1973年，美國國防部批準(zhǔn)研制GPS;

1991年海灣戰(zhàn)爭中，GPS首次大規(guī)模用于實(shí)戰(zhàn);

1994年，GPS全部建成投入使用;

2000年，克林頓宣布，GPS取消實(shí)施SA(對民用GPS精度的一種人為限制策略)。

2.美國政府的的GPS策略

兩種GPS服務(wù)：

SPS--標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)，民用，精度約為100M;

PPS--精密定位服務(wù)，軍用和得到特許的民間用戶使用，精度高達(dá)10M.

兩種限制民用定位精度的措施(保障國家利益不受侵害)：

SA--選擇可用性，認(rèn)為降低普通用戶的測量精度，限制水平定位精度100M，垂直157M(已于2005年5月1日取消);

AS--反電子欺騙。

3.其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

GLONASS(全球軌道導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng))，前蘇聯(lián);

Galileo-ENSS(歐洲導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，即伽利略計(jì)劃)，歐盟;

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，中國。

四、GPS系統(tǒng)的構(gòu)成

GPS系統(tǒng)=空間部分+控制部分+用戶部分。

空間部分

GPS空間部分主要由24顆GPS衛(wèi)星構(gòu)成，其中21顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星。

24顆衛(wèi)星運(yùn)行在6個軌道平面上，運(yùn)行周期為12個小時。

保證在任一時刻、任一地點(diǎn)高度角15度以上都能夠觀測到4顆以上的衛(wèi)星。

主要作用：發(fā)送用于導(dǎo)航定位的衛(wèi)星信號。

構(gòu)成：24顆衛(wèi)星=21顆工作衛(wèi)星+3顆備用衛(wèi)星。

控制部分

GPS控制部分由1個主控站，5個檢測站和3個注入站組成。

組成：GPS控制部分=主控站(1個)+監(jiān)測站(5個)+注入站(3個);

作用：監(jiān)測和控制衛(wèi)星運(yùn)行，編算衛(wèi)星星歷(導(dǎo)航電文)，保持系統(tǒng)時間。

(1)主控站：從各個監(jiān)控站收集衛(wèi)星數(shù)據(jù)，計(jì)算出衛(wèi)星的星歷和時鐘修正參數(shù)等，并通過注入站注入衛(wèi)星;向衛(wèi)星發(fā)布指令，控制衛(wèi)星，當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)故障時，調(diào)度備用衛(wèi)星。

(2)監(jiān)控站：接收衛(wèi)星信號，檢測衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)，收集天氣數(shù)據(jù)，并將這些信息傳送給主控站。

(3)注入站：將主控站計(jì)算的衛(wèi)星星歷及時鐘修正參數(shù)等注入衛(wèi)星。

分布情況：

(1)主控站：位于美國科羅拉多州(Calorado)的法爾孔(Falcon)空軍基地。

(2)注入站：阿松森群島(Ascendion),大西洋;迭戈加西亞(Diego Garcia),印度洋;卡瓦加蘭(Kwajalein)，東太平洋。

(3)監(jiān)控站：1個與主控站在一起;3個與注入站在一起;另外一個在夏威夷(Hawaii),西太平洋。

用戶部分

GPS用戶設(shè)備部分包含GPS接收器及相關(guān)設(shè)備。

GPS接收器主要由GPS芯片構(gòu)成。如車載、船載GPS導(dǎo)航儀，內(nèi)置GPS功能的移動設(shè)備，GPS測繪設(shè)備等都屬于GPS用戶設(shè)備。

組成：主要為GPS接收器

作用：接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的設(shè)備，GPS系統(tǒng)的消費(fèi)者。

來源：雨飛工作室