GPS定位基本原理淺析

位置服務(wù)已成為愈來愈熱的1門技術(shù)，也將成為以后所有移動裝備（智能手機、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、利用最廣泛的，自然非GPS莫屬了。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動身，以1種程序員易于理解的方式來簡單介紹1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)。固然，本文并沒有觸及具體的開發(fā)方面的技術(shù)。

1、GPS定位數(shù)學(xué)模型

之所以先介紹數(shù)學(xué)模型，是由于我認(rèn)為這個數(shù)學(xué)模型多是程序員比較關(guān)心的問題。固然事前聲明，這個模型只是我根據(jù)1些GPS資料總專為程序員總結(jié)出來的1個簡化模型，細(xì)節(jié)方面可能其實不符合實際，想了解具體細(xì)節(jié)請參考專業(yè)的GPS講授資料。

GPS定位，實際上就是通過4顆已知位置的衛(wèi)星來肯定GPS接收器的位置。

如上圖所示，圖中的GPS接收器為當(dāng)前要肯定位置的裝備，衛(wèi)星1、2、3、4為本次定位要用到的4顆衛(wèi)星:

• Position1、Position2、Position3、Position4分別為4顆衛(wèi)星確當(dāng)前位置（空間坐標(biāo)），已知
• d1、d2、d3、d4分別為4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

那末定位的進(jìn)程，簡單來說就是通過1個函數(shù)GetLocation(),從已知的[Position1,d1]、[Position2,d2]、[Position3,d3]、[Position4,d4]4對數(shù)據(jù)中求出Location的值。用程序員熟習(xí)的函數(shù)調(diào)用來表示就是：

Location=GetLocation([Position1,d1],[Position2,d2],[Position3,d3],[Position4,d4]);

1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)又是如何履行？由誰來履行的呢？立體幾何還沒有忘干凈的可能還要問：為何必須要4對參數(shù)呢？那下面我們就來1起探究1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，每個都在時刻不停地通過衛(wèi)星信號向全球廣播自己確當(dāng)前位置坐標(biāo)信息。任何1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（這其實也是每個GPS芯片的核心功能之1）。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？

我們已知道每個GPS衛(wèi)星都在不辭辛勞地廣播自己的位置，那末在發(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(dāng)前時間（當(dāng)前時間固然只能由GPS接收器自己來肯定了）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，那末乘上他的傳輸速度，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，那末理想速度就是光速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)是如何履行的？

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1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（這可能也是每個GPS芯片的核心功能之1）。

4.為何要必須要4對參數(shù)？

根據(jù)立體幾何知識，3維空間中，3對[Positioni,di]這樣的數(shù)據(jù)就能夠肯定1個點了（實際上多是兩個，但我們可以通過邏輯判斷舍去1個），為何這里需要4對呢？理想情況下，的確3對就夠了，也就是說理想情況下只需要3顆衛(wèi)星就能夠?qū)崿F(xiàn)GPS定位。但是事實上，必須要4顆。

由于根據(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），那末對時間Ti而言，1個極小的誤差都會被放大很多倍從而致使全部結(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個GPS接收器也配1個銫原子鐘，由于1個銫原子鐘的價格可能已超過了這個GPS裝備再加上使用GPS的這輛名貴汽車的價格。

同時，由于速度c也會遭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1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。這些誤差可能致使定位精確度下降，也可能直接致使定位無效。GetLocation（函數(shù)）中多用了1組數(shù)據(jù)，正是為了來校訂誤差。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1組數(shù)據(jù)，就能夠通過1些奇妙的算法，消除或減小誤差，保證定位有效。這就是GetLocation（）函數(shù)必須用4組數(shù)據(jù)的緣由，也就是為何必須有4顆衛(wèi)星才能定位的緣由。

5.GetLocation（）函數(shù)返回的位置信息怎樣被GPS裝備辨認(rèn)呢？

前面說在進(jìn)行位置計算時都是用的空間坐標(biāo)情勢表示，但是對GPS裝備及利用程序而言，通常需要用的是1個[經(jīng)度，緯度，高度]這樣的位置信息。那末我們可以想象，在GetLocation()函數(shù)返回位置結(jié)果前，可能會進(jìn)行1個從空間坐標(biāo)情勢到經(jīng)緯度情勢的轉(zhuǎn)換，我們無妨假定存在1個Convert(經(jīng)緯度，空間坐標(biāo))這樣的函數(shù)來進(jìn)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1種，稱為單點定位，或絕對定位。就是通過唯1的1個GPS接收器來肯定位置。

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1個參考GPS接收器來提高定位精度。

上面我們已圍繞1個虛擬的GetLocation()函數(shù)基本弄清楚了GPS定位的基本數(shù)學(xué)模型，對編程而言，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1些GPS相干的背景知識。

2、GPS衛(wèi)星是哪里來的？

（空話，固然是人發(fā)射的！地球人發(fā)射的?。?/p>

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(dǎo)航星測時與測距全球定位系統(tǒng)）。GPS是1個由美國國防部開發(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)獲得在1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1顆人造地球衛(wèi)星SputnikⅠ發(fā)射成功，空基導(dǎo)航定位由此開始
• 1958年開始設(shè)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(zhǔn)研制GPS; 
  1991年海灣戰(zhàn)爭中，GPS首次大范圍用于實戰(zhàn)； 
  1994年，GPS全部建成投入使用； 
  2000年，克林頓宣布，GPS取消實行SA(對民用GPS精度的1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)為下降普通用戶的丈量精度，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)，即伽利略計劃），歐盟
• 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，中國

3、GPS系統(tǒng)的構(gòu)成

GPS系統(tǒng)=空間部份+控制部份+用戶部份

1.空間部份

GPS空間部份主要由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1時刻、任1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(dǎo)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.控制部份

GPS控制部份由1個主控站，5個檢測站和3個注入站組成。

組成：GPS控制部份=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(dǎo)航電文），保持系統(tǒng)時間。

• 主控站：從各個監(jiān)控站搜集衛(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(dāng)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)，搜集天氣數(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。 

散布情況：

• 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個與主控站在1起；3個與注入站在1起；另外1個在夏威夷（Hawaii）,西太平洋。 
  

3.用戶部份

GPS用戶裝備部份包括GPS接收器及相干裝備。GPS接收器主要由GPS芯片構(gòu)成。

如車載、船載GPS導(dǎo)航儀，內(nèi)置GPS功能的移動裝備，GPS測繪裝備等都屬于GPS用戶裝備。

組成：主要為GPS接收器

作用：接收、跟蹤、變換和丈量GPS信號的裝備，GPS系統(tǒng)的消費者。

GPS定位是目前最為精確、利用最為廣泛的定位導(dǎo)航技術(shù)，以后將會成為每個移動裝備的標(biāo)配之1?，F(xiàn)在的中高端只能手機，有相當(dāng)1部份已配備了GPS硬件。那末針對GPS定位的開發(fā)技術(shù)也將成為1項主流常規(guī)技術(shù)。本文目的在于讓準(zhǔn)備進(jìn)行GPS定位開發(fā)的編程人員對GPS有1個大致的了解，這對編程可能沒有甚么直接的幫助，但是我想了解1下GPS的大致工作原理，在編程進(jìn)程中就可以夠?qū)PS裝備的工作特性有1個感性的認(rèn)識，這對開發(fā)回是有很大間接好處的。想了解關(guān)于GPS定位的具體開發(fā)技術(shù)，請參考《為Windows Mobile裝備創(chuàng)建位置感知的利用程序》。

生活不易，碼農(nóng)辛苦
如果您覺得本網(wǎng)站對您的學(xué)習(xí)有所幫助,可以手機掃描二維碼進(jìn)行捐贈