主頁(yè)（http://www.130131.com）：GPS定位基本原理淺析（科普文）

摘要：位置服務(wù)已經(jīng)成為越來(lái)越熱的一門(mén)技術(shù)，也將成為以后所有移動(dòng)設(shè)備（智能手機(jī)、平板電腦等）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。網(wǎng)絡(luò)上介紹GPS原理的專(zhuān)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(lái)簡(jiǎn)單介紹一下GPS定位的基本原理，希望對(duì)做GPS開(kāi)發(fā)的朋友有所啟發(fā)。當(dāng)然，本文并沒(méi)有涉及具體的開(kāi)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)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(wèn)題。當(dāng)然事先聲明，這個(gè)模型只是我根據(jù)一些GPS資料總專(zhuān)為程序員總結(jié)出來(lái)的一個(gè)簡(jiǎn)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(qǐng)參考專(zhuān)業(yè)的GPS講解資料。

GPS定位，實(shí)際上就是通過(guò)四顆已知位置的衛(wèi)星來(lái)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:

• 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

• 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

• Location 為要定位的衛(wèi)星接收器的位置，待求

那么定位的過(guò)程，簡(jiǎn)單來(lái)講就是通過(guò)一個(gè)函數(shù)GetLocation(),從已知的[Position1,d1]、[Position2,d2]、[Position3,d3]、[Position4,d4]四對(duì)數(shù)據(jù)中求出Location的值。用程序員熟悉的函數(shù)調(diào)用來(lái)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(lái)勁了：這些參數(shù)從哪里來(lái)？這個(gè)函數(shù)又是如何執(zhí)行？由誰(shuí)來(lái)執(zhí)行的呢？立體幾何還沒(méi)有忘干凈的可能還要問(wèn)：為什么必須要4對(duì)參數(shù)呢？那下面我們就來(lái)一起探究一下。

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

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(guò)衛(wèi)星信號(hào)向全世界廣播自己的當(dāng)前位置坐標(biāo)信息。任何一個(gè)GPS接收器都可以通過(guò)天線(xiàn)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）。這就是這些位置信息的來(lái)源。

2 . d1、d2、d3、d4這些距離信息從哪里來(lái)？

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置，那么在發(fā)送位置信息的同時(shí)，也會(huì)附加上該數(shù)據(jù)包發(fā)出時(shí)的時(shí)間戳。GPS接收器收到數(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(lái)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(guò)無(wú)線(xiàn)電波傳送的，那么理想速度就是光速c，把傳播時(shí)間記為T(mén)i的話(huà)，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(lái)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(shuō)明問(wèn)題而虛構(gòu)的，事實(shí)上未必存在，但是一定存在這樣類(lèi)似的運(yùn)算邏輯。這些運(yùn)算邏輯可以由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是事實(shí)上可能大都是由硬件芯片來(lái)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(duì)參數(shù)？

根據(jù)立體幾何知識(shí)，三維空間中，三對(duì)[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(guò)邏輯判斷舍去一個(gè)），為什么這里需要四對(duì)呢？理想情況下，的確三對(duì)就夠了，也就是說(shuō)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。

因?yàn)楦鶕?jù)上面的公式，di是通過(guò)c*Ti計(jì)算出來(lái)的，而我們知道c值是很大的（理想速度即光速），那么對(duì)于時(shí)間Ti而言，一個(gè)極小的誤差都會(huì)被放大很多倍從而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)果無(wú)效。也就是說(shuō)，在GPS定位中，對(duì)時(shí)間的精度要求是極高的。GPS衛(wèi)星上是用銫原子鐘來(lái)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)銫原子鐘，因?yàn)橐粋�(gè)銫原子鐘的價(jià)格可能已經(jīng)超過(guò)了這個(gè)GPS設(shè)備再加上使用GPS的這輛名貴汽車(chē)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)星廣播的自己的位置也可能會(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。

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(wú)效。GetLocation（函數(shù)）中多用了一組數(shù)據(jù)，正是為了來(lái)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(guò)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。

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

前面說(shuō)在進(jìn)行位置計(jì)算時(shí)都是用的空間坐標(biāo)形式表示，但是對(duì)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(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(lái)進(jìn)行這個(gè)轉(zhuǎn)換。

6 . 單點(diǎn)定位與差分定位

實(shí)際上上面所說(shuō)的只是定位原理中的其中一種，稱(chēng)為單點(diǎn)定位，或絕對(duì)定位。就是通過(guò)唯一的一個(gè)GPS接收器來(lái)確定位置。

目前定位精度最高的是差分定位，或稱(chēng)相對(duì)定位。就是通過(guò)增加一個(gè)參考GPS接收器來(lái)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(duì)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(méi)滿(mǎn)足的話(huà)，我們繼續(xù)了解一些GPS相關(guān)的背景知識(shí)。

二、GPS衛(wèi)星是哪里來(lái)的？

（廢話(huà)，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(chēng)為NAVSTAR GPS（NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Position System，導(dǎo)航星測(cè)時(shí)與測(cè)距全球定位系統(tǒng)）。GPS是一個(gè)由美國(guó)國(guó)防部開(kāi)發(fā)的空基全天侯導(dǎo)航系統(tǒng)，它用以滿(mǎn)足軍方在地面或近地空間內(nèi)獲取在一個(gè)通用參照系中的位置、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SputnikⅠ發(fā)射成功，空基導(dǎo)航定位由此開(kāi)始

• 1958年開(kāi)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(guó)國(guó)防部批準(zhǔn)研制GPS;

  1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)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(duì)民用GPS精度的一種人為限制策略)。

2.美國(guó)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(hù)使用，精度高達(dá)10M.

• 兩種限制民用定位精度的措施(保障國(guó)家利益不受侵害)：

  SA--選擇可用性，認(rèn)為降低普通用戶(hù)的測(cè)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(guó)

三、GPS系統(tǒng)的構(gòu)成

GPS系統(tǒng)=空間部分+控制部分+用戶(hù)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(cè)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控制部分由1個(gè)主控站，5個(gè)檢測(cè)站和3個(gè)注入站組成。

組成：GPS控制部分=主控站（1個(gè)）+監(jiān)測(cè)站（5個(gè)）+注入站（3個(gè)）

作用：監(jiān)測(cè)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(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(guò)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(cè)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(guó)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。

3 . 用戶(hù)部分

GPS用戶(hù)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(chē)載、船載GPS導(dǎo)航儀，內(nèi)置GPS功能的移動(dòng)設(shè)備，GPS測(cè)繪設(shè)備等都屬于GPS用戶(hù)設(shè)備。

組成：主要為GPS接收器

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

GPS定位是目前最為精確、應(yīng)用最為廣泛的定位導(dǎo)航技術(shù)，以后將會(huì)成為每一個(gè)移動(dòng)設(shè)備的標(biāo)配之一�，F(xiàn)在的智能手機(jī)幾乎全部配備GPS硬件。那么針對(duì)GPS定位的開(kāi)發(fā)技術(shù)也會(huì)成為一項(xiàng)主流常規(guī)技術(shù)。