GPS定位基本原理淺析要點

1、GPS 定位基本原理淺析位置服務已經(jīng)成為越來越熱的一門技術(shù)，也將成為以后所有移動設備（智能手機、掌上電腦等）的標配。而定位導航技術(shù)中，目前精度最高、應用最廣泛的，自然非 GPS 莫屬了。網(wǎng)絡上介紹 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，希望對做GPS開發(fā)的朋友有所啟發(fā)。當然，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)學模型之所以先介紹數(shù)學模型，是因為我認為這個數(shù)學模型可能是程序員比較關(guān)心的問題。當然事先聲明，這個模型只是我根據(jù)一些GPS資料總專為程序員總結(jié)出來的一個簡化模型，細節(jié)方面可能并不

2、符合實際，想了解具體細節(jié)請參考專業(yè)的GPS講解資料。GPS 定位，實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。: 弊呂接收攝LocationI.qcaI. inji： G(*i I.Deal i on( Pnsi t i tin I, d 11F 1 i an2, A2 I, Po: ln3,(13, Pos： l in4T d4 )如上圖所示，圖中的GPS接收器為當前要確定位置的設備，衛(wèi)星1、2、3、4為本次定位要用到的四顆衛(wèi)星* Position1、Position2、Position3、Position4 分別為四顆衛(wèi)星的當前位置（空間坐標），已知* di、d2、d3、d

3、4分別為四顆衛(wèi)星到要定位的GPS接收器的距離，已知* 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：Locatio n=GetLocati on (Positio n1,d1,Positio n2,d2,Positio n3,d3,Positio n4,d4);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)

4、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？那下面我們就來一起探究一下。1. Position1、Position2 、Position3 、Position4這些位置信息從哪里來？實際上，運行于宇宙空間的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前位置坐標信息。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(這其實也是每一個GPS芯片的核心功能之一)。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？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

5、上該數(shù)據(jù)包發(fā)出時的時間戳。GPS接收器收到數(shù)據(jù)包后，用當前時間(當前時間當然只能由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。知道了數(shù)據(jù)包在空中的傳輸時間，那么乘上他的傳輸速度，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。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. GetLocatio n()函數(shù)是如何執(zhí)行的?這個函數(shù)是我為了說明問題而虛構(gòu)的，事實上未必存在，但是一定存在這樣類似的運算邏輯。這些運算邏輯可

6、以由軟件來實現(xiàn)，但是事實上可能大都是 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. 為什么要必須要四對參數(shù)？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)就可以確定一個點了（實際上可能是兩個，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)星就可以實現(xiàn) GPS 定位。但是事實上，必須要四顆。因為根據(jù)上面的公式， di 是通過 c*Ti 計算出來的，而我們知道 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 多倍從而導致整個結(jié)果無效。也

7、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，因為一個銫原子鐘的價格可能已經(jīng)超過了這個GPS設備再加上使用 GPS的這輛名貴汽車的價格。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?？傊?，數(shù)據(jù)是存在誤差的。這些誤差可能導致定位精確度降低，也可能直接導致定位無效。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

8、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。5. GetLocation（）函數(shù)返回的位置信息怎樣被 GPS 設備識別呢？前面說在進行位置計算時都是用的空間坐標形式表示，但是對GPS設備及應用程序而言，通常需要用的是一個經(jīng)度，緯度，高度這樣的位置信息。那么我們可以想象， 在 GetLocation（） 函數(shù)返回位置結(jié)果前， 可能會進行一個從空間坐標形式到經(jīng)緯度形式的轉(zhuǎn)換，我們不妨假設存在一個 Convert（ 經(jīng)緯度，空間坐標 ）這樣的函數(shù)來進行這個轉(zhuǎn)換。6. 單點定位與差分定位GPS 接收器來

9、確定位置。實際上上面所說的只是定位原理中的其中一種，稱為單點定位，或絕對定位。就是通過唯一的一個GPS接收器來提高定位精度。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)學模型，對于編程而言，知道這些就足夠了 （其實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。二、GPS衛(wèi)星是哪里來的？（廢話，當然是人發(fā)射的！地球人發(fā)射的?。〨PS（ Global Position System,全球定位系統(tǒng)），全稱為 NAVSTAR GPS（ NAVigation S

10、atellite Timing And Ranging Global Position System，導航 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 Sputnik I發(fā)射成功，空基導航定位由此開始* 1958年開始設計NNSS-TRANSIT,即子午衛(wèi)星系統(tǒng)；1964年該系統(tǒng)正式運行；1967年該系統(tǒng)解密以供民用。* 1973年，美國國防部批準研制 GPS;1991年海灣戰(zhàn)爭中，GPS首次大規(guī)模用于實戰(zhàn)；1994年

11、，GPS全部建成投入使用；2000年，克林頓宣布，GPS取消實施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：SPS-標準定位服務，民用，精度約為100M ;PPS-精密定位服務，軍用和得到特許的民間用戶使用，精度高 達 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)星導航系統(tǒng)* GLONASS （全球軌道導航衛(wèi)星系統(tǒng)），前蘇聯(lián)* Galileo-ENSS （歐洲導航衛(wèi)星系統(tǒng)，即伽利略計劃

12、），歐盟*北斗導航系統(tǒng)，中國、GPS系統(tǒng)的構(gòu)成GPS系統(tǒng)=空間部分+控制部分+用戶部分MOL365.NET1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)星運行在6個軌道平面上，運行周期為 12個小時。保證在任 時刻、任一地點高度角 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2.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)星運行，編算衛(wèi)星星歷（導航電文），保持系統(tǒng)

13、時間。主控站：從各個監(jiān)控站收集衛(wèi)星數(shù)據(jù)，計算出衛(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，當衛(wèi)星出現(xiàn)故障時，調(diào)度備用衛(wèi)星。*監(jiān)控站：接收衛(wèi)星信號，檢測衛(wèi)星運行狀態(tài)，收集天氣數(shù)據(jù)，并 將這些信息傳送給主控站。*注入站：將主控站計算的衛(wèi)星星歷及時鐘修正參數(shù)等注入衛(wèi)星。分布情況：*主控站：位于美國科羅拉多州(Calorado )的法爾孔(Falcon ) 空軍基地。AscensionGarciaMonitor Station1Monitor Station*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

14、蘭(Kwajalein )，東太平洋。*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。Master ControlHawaii Monitor Monitor Station 、Global Positioning System (GPS) Master Contro) and Monitor Station Network3.用戶部分GPS用戶設備部分包含 GPS接收器及相關(guān)設備。 GPS接收器主要由GPS芯片構(gòu)成。如車載、船載 GPS導航儀，內(nèi)置 GPS功能的移動設備，GPS測繪設備等都屬于 GPS用戶設備。組成：主要為GPS接收器作用：接收、跟蹤、變換和測量 GPS信號的設備，GPS系統(tǒng)的消費者。GPS 定位是目前最為精確、應用最為廣泛的定