GPS定位基本原理-科普版

GPS衛(wèi)星定位基本原理GPS全稱(chēng)：

NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem

衛(wèi)星測(cè)時(shí)測(cè)距導(dǎo)航/全球定位系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)：GPS定位是GPS的基本功能。GPS的廣泛應(yīng)用GPS如何實(shí)現(xiàn)定位？一個(gè)福爾摩斯探案的故事本故事純屬虛構(gòu)，如有雷同，實(shí)屬巧合BigBen，倫敦，1859年建立整點(diǎn)報(bào)時(shí)，每4秒1響廣播電臺(tái)同步向全英國(guó)播報(bào)鐘聲一天，一個(gè)富家女孩被一伙劫匪綁架，送往某處藏匿……木制樓梯吱吱響，可能是個(gè)舊樓。該到10樓了吧？劫匪打開(kāi)收音機(jī)……聽(tīng)聽(tīng)收音機(jī)，緩解一下緊張~~~午夜，開(kāi)始播送BigBen的報(bào)時(shí)鐘聲，當(dāng)、當(dāng)……跟著數(shù)羊睡覺(jué)吧，1，2，3，……，11，12，13！一定是數(shù)錯(cuò)了！過(guò)了很久，劫匪要她錄音，以向她爸媽索要贖金……爸、媽?zhuān)腥私俪至宋?，他們索要一百萬(wàn)英鎊，送到指定地點(diǎn)。我被藏在一幢很舊的房子里，老舊得走樓梯地板都會(huì)吱吱作響！爬了10樓后又聽(tīng)見(jiàn)電臺(tái)播放的午夜報(bào)時(shí)鐘聲響了13下，我好害怕！求求你們照他們的話做，我想回家！錄音很快被快遞送到她爸媽手中……無(wú)巧不成書(shū)，大偵探福爾摩斯恰巧是女孩父母的好朋友，……我來(lái)搞定它！Yeah,IGETIT!英國(guó)有成千上萬(wàn)的10層以上的老舊建筑，她藏哪呢？思考中，請(qǐng)勿打擾……根據(jù)福爾摩斯的推斷，警察如神兵天降，將女孩解救出來(lái)！你們?cè)趺凑业竭@的？讓我死個(gè)明白！廣播信號(hào)：光速傳播，約300,000,000m/s。鐘聲：音速傳播，約340m/s。13響的構(gòu)成：第1響：來(lái)自收音機(jī)第2-12響：來(lái)自BigBen和收音機(jī)第13響：來(lái)自BigBen從奇怪的13響出發(fā)推斷。福爾摩斯的破案邏輯推斷女孩藏身地點(diǎn)：距離BigBen足夠近的地方（能聽(tīng)到鐘聲）距離BigBen約1360m（4s后聽(tīng)到鐘聲）10層以上的舊樓1360m=340m/s×4s很幸運(yùn)，滿足條件的只有一個(gè)樓！下班后摸彩票去！原理：利用同步發(fā)出的信號(hào)達(dá)到接收信號(hào)地點(diǎn)的時(shí)間延遲推算距離。

距離=音速×鐘聲時(shí)間延遲量信號(hào)源：BigBen，廣播（同步發(fā)出）接收器：女孩的耳朵。廣播信號(hào)快速到達(dá)(光速，延遲時(shí)間可忽略)，聲音信號(hào)延遲到達(dá)(音速）。

GPS定位是以星站距離測(cè)量為基礎(chǔ)的，同樣利用了時(shí)間延遲求算距離的方法。（星站距離：GPS衛(wèi)星到接收機(jī)的距離）衛(wèi)星信號(hào)是電磁波，以光速傳播。衛(wèi)星距地面很遠(yuǎn)，軌道高度為20200km。x公里？

t秒？如何求算信號(hào)傳播時(shí)間？t0:衛(wèi)星發(fā)出碼信號(hào)（BigBen）t0:接收機(jī)同步產(chǎn)生相同的碼信號(hào)（電臺(tái)廣播復(fù)制鐘聲）t1:接收機(jī)接收到衛(wèi)星信號(hào)（女孩聽(tīng)到BigBen鐘聲）Δt=？ 偽隨機(jī)碼（PseudoRandomNoice

）：以等概率產(chǎn)生0和1。具有良好的自相關(guān)性。

編碼信號(hào)移位后與原信號(hào)進(jìn)行異或運(yùn)算，產(chǎn)生新序列，自相關(guān)函數(shù)R判定自相關(guān)性：R=(N0-N1)/(N0+N1)

完全對(duì)齊時(shí)，R=1，未對(duì)齊時(shí)，R≈0。

GPS基于電路產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼相位對(duì)齊方式實(shí)現(xiàn)時(shí)間延遲量的計(jì)算。111100010011010011110001001101100010011010111111100010011010111100010011010000000000000000完全對(duì)齊：未對(duì)齊：（錯(cuò)開(kāi)1位）R=(15-0)/(15+0)=1R=(7-8)/(7+8)=-1/15≈-0.067接收機(jī)接收到GPS衛(wèi)星信號(hào)后，通過(guò)若干次移位，最終可與自身復(fù)制的碼對(duì)齊（R=1）。R復(fù)制信號(hào)GPS信號(hào)GPS信號(hào)時(shí)間延遲Δt=碼元寬度tu×移位數(shù)星站距離=光速×碼元寬度tu×移位數(shù)傳輸一個(gè)bit所需要的時(shí)間。

tu=1/ff是信號(hào)傳輸頻率，已知數(shù)。原理：利用同步發(fā)出的信號(hào)達(dá)到接收機(jī)的時(shí)間延遲推算距離。星站距離=光速×GPS信號(hào)時(shí)間延遲量信號(hào)源：GPS衛(wèi)星，接收機(jī)自身同步復(fù)制接收器：接收機(jī)自身。復(fù)制信號(hào)快速到達(dá)(自身復(fù)制，無(wú)延遲)，

GPS信號(hào)延遲到達(dá)(光速）。得到了星站距離后如何定位？如果距BigBen約1360m的10層以上舊樓很多……1360m如果有兩個(gè)BigBen……如果有三個(gè)BigBen……沒(méi)有三個(gè)BigBen，但有很多GPS衛(wèi)星！黑色

=可見(jiàn),紅色

=不可見(jiàn),綠色=視線

總共24顆GPS衛(wèi)星。地球任意一點(diǎn)可以看到5-12顆衛(wèi)星。任一衛(wèi)星的瞬時(shí)位置可根據(jù)星歷計(jì)算得到。d1d2空間距離交會(huì)法定位d3

在太空中！距離交會(huì)法觀測(cè)方程(x,y,z)為待求的接收機(jī)位置，

d為衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，(xi,yi,zi)為衛(wèi)星瞬時(shí)