主頁（http://www.130131.com）：GPS定位基本原理淺析（科普文）
摘要：位置服務已經(jīng)成為越來越熱的一門技術，也將成為以后所有移動設備（智能手機、平板電腦等）的標配。而定位導航技術中，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。 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。
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:
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]); 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 . GetLocation()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。 總之，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。 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 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接收器來確定位置。
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。
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�。� 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
2.美國政府的的GPS策略
3.其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)
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)星運行在6個軌道平面上，運行周期為12個小時。保證在任一時刻、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)時間。
分布情況：
3 . 用戶部分 GPS用戶設備部分包含GPS接收器及相關設備。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、應用最為廣泛的定位導航技術，以后將會成為每一個移動設備的標配之一。現(xiàn)在的智能手機幾乎全部配備GPS硬件。那么針對GPS定位的開發(fā)技術也會成為一項主流常規(guī)技術。 (中國集群通信網(wǎng) | 責任編輯：陳曉亮) |
