小米手機(jī)學(xué)院GPS定位基本原理淺析

1、位谿服務(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(dòng)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GPsa屬了。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， 希望對做GPS開發(fā)的朋友有所啟發(fā)。 當(dāng)然，本文并沒有涉 及具體的開發(fā)方面 的技術(shù)。、GP注位數(shù)學(xué)模型之所以先介紹數(shù)學(xué)模型，是因?yàn)槲艺J(rèn)為這個(gè)數(shù)學(xué)模型可能是程序員比較關(guān)心的問題。 當(dāng)然事 先聲明，這個(gè)模型只是我根據(jù)一些 GPS料總專為程序員總結(jié)出來的一個(gè)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

2、考專業(yè)的 GPSW解資料。GPS定位，實(shí)際上就是通過四顆已知位谿的衛(wèi)星來確定 GPS接收器的位谿。GPS接收器坦Loca bi onLoeaticrpC&tLo&sition1 intil, <11J, tian2.d2j« P（miLoh3, d3jT Pxtai ci<x4T J4J |如上圖所示，圖中的GP成收器為當(dāng)前要確定位谿的設(shè)備，衛(wèi)星 1、2、3、4為本次定位要用到的四顆衛(wèi)星：? Positionl 、Position2 、Position3 、Position4 分別為四顆衛(wèi)星的當(dāng)前位谿（空間坐標(biāo)）， 已知? di、d2、d3、d4分別為四顆

3、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)星接收器的位谿，待求那么定位的過程，簡單來講就是通過一個(gè)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);一看到這個(gè)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(gè)函數(shù)又是如何執(zhí)行？由誰來執(zhí)行的呢？立體幾

4、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 這些位谿信息從哪里來？實(shí)際上，運(yùn)行于宇宙空間的 GPS衛(wèi)星，每一個(gè)都在時(shí)刻不停地通過衛(wèi)星信號(hào)向全世界廣播自己的 當(dāng)前位谿坐標(biāo)信息。任何一個(gè)GP眼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(gè)GPS芯片的核心功能之一)。這就是這些位谿信息的來源。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(gè)GPS衛(wèi)星都在不辭辛勞地廣播自己的位谿，那么在發(fā)送位谿信息的同時(shí)， 也會(huì)附加上該數(shù)

5、據(jù)包發(fā)出時(shí)的時(shí)間戳。GPS妾收器收到數(shù)據(jù)包后，用當(dāng)前時(shí)間(當(dāng)前時(shí)間當(dāng)然只能由GPS接收器自己來確定了)減去時(shí)間戳上的時(shí)間，就是數(shù)據(jù)包在空中傳輸所用的時(shí)間了。知道了數(shù)據(jù)包在空中的傳輸時(shí)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(shí)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？這個(gè)函數(shù)是我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。這些運(yùn)算邏輯可

6、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(gè)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(shí)，三維空間中，三對 Positioni,di這樣的數(shù)據(jù)就可以確定一個(gè)點(diǎn)了(實(shí)際上可能是兩個(gè)，但我們可以通過邏輯判斷舍去一個(gè))，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。"c值是很大的(理想速度即光而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)果無效。也就因 為根據(jù)上面的公式，di是通過c*Ti計(jì)算出來的，而我們知道 速)，那么對于時(shí)間 Ti而言，一個(gè)極小的誤差都會(huì)被放大很多倍從 是說

7、，在GPS定位中，對時(shí)間的精度要求是極高的。GPS衛(wèi)星上是用 原子鐘來計(jì)時(shí)的，但是我們不可能為每一個(gè) GPS接收器也配一個(gè)原子鐘，因?yàn)橐粋€(gè)原子鐘的價(jià)格可能已經(jīng)超過了這 個(gè)GPS設(shè)備再加上使用 GPS的這輛名貴汽車的價(jià)格。同時(shí)，由于速度 c也會(huì)受到空中電離層的影響，因此也會(huì)有誤差；再者，GPS衛(wèi)星廣播的自己的位谿也可能會(huì)有誤差。其他等等一些因素也會(huì)影響數(shù)據(jù)的精確度?？?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

8、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。$ D； _" _5.GetLocation ()函數(shù)返回的位谿信息怎樣被GPS設(shè)備識(shí)別呢？前 面說在進(jìn)行位谿計(jì)算時(shí)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(gè)經(jīng)度，緯度，高度這樣的位谿信息。那么我們可以想象，在GetLocation()函數(shù)返回位谿結(jié)果前，可能會(huì)進(jìn)行一個(gè)從空間坐標(biāo)形式到經(jīng)緯度形式的轉(zhuǎn)換，我們不妨假設(shè)存在一個(gè)Convert(經(jīng)緯 度，空間坐標(biāo))這樣的函數(shù)來進(jìn)行這個(gè)轉(zhuǎn)換。6.單點(diǎn)定位與差分定位4實(shí)際上

9、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(gè)GPS接收器來確定位谿。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(gè)參考 GPS接收器來提高定位精度。上面我們已經(jīng)圍繞一個(gè)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(shí)。二、GPSLE星是哪里來的？（廢話，當(dāng)然是人發(fā)射的！地球人發(fā)射的！）GPS（ Global Position System,全球定位系統(tǒng)），全稱為 NAVSTAR GPS NAVig

10、ation SatelliteTiming And Ranging Global Position System，導(dǎo)航星測時(shí)與測距全球定位系統(tǒng)）。GPS是一個(gè)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(gè)通用參照系中的位谿、速度和時(shí)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(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)；

11、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GP啪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)，

12、即伽利略計(jì)劃），歐盟?北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，中國 ！三、GPS系統(tǒng)的構(gòu)成GPS系統(tǒng)=空間部分+控制部分+用戶部分1.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(gè)軌道平面上，運(yùn)行周期為 12個(gè)小時(shí)。保證在任一時(shí)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(hào)。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空制部分由1個(gè)主控站，5個(gè)檢測站和3個(gè)注入站組成。組成：GPS空制部分=主控站（1個(gè)）+監(jiān)測站（5個(gè)）+注入站（3個(gè)）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），

13、保持系統(tǒng)時(shí)間。?主控站：從各個(gè)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(shí)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(shí)，調(diào)度備用衛(wèi)星。?監(jiān)控站：接收衛(wèi)星信號(hào)，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。?注入站：將主控站計(jì)算的衛(wèi)星星歷及時(shí)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。?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。?監(jiān)控站：1個(gè)與主控站在一起；3個(gè)與注入站在一起；另外一個(gè)在夏威夷(Hawaii )，西太平洋。GlobalSystein (GPS) Master Control 珂d Monitor Station3.用戶部分GPS用戶設(shè)備部分包含 GPS®收器及相關(guān)設(shè)備。GPS®收器主要由 GPS芯片構(gòu)成。如車載、船載 GPS導(dǎo)航儀，內(nèi)谿 GPS功能的移動(dòng)設(shè)備， GPS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(hào)的設(shè)備，GPS系統(tǒng)的消費(fèi)者。GP