GPS定位基本原理是什么？
如今，gps定位漸漸用于商業(yè)，例如車載定位等，主要用途是防止車被盜。裝了gps定位監(jiān)控系統(tǒng)，無論車在哪里你都能找到，現(xiàn)如今小偷都不會(huì)偷盜帶有監(jiān)控的車子了，非常安全高效。那么，gps定位原理是什么呢?下面，小編詳細(xì)說說。
GPS定位，實(shí)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(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
那么定位的過程，簡(jiǎn)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(duì)數(shù)據(jù)中求出Location的值。
Location=GetLocation([Position1,d1],[Position2,d2],[Position3,d3],[Position4,d4]);
為什么必須要4對(duì)參數(shù)呢?那下面我們就來一起探究一下。
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)前位置坐標(biāo)信息。任何一個(gè)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(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源。
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。
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)。
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c*Ti計(jì)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(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)果無效。也就是說，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。
前面說在進(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)來進(jìn)行這個(gè)轉(zhuǎn)換。
實(shí)際上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(duì)定位。就是通過唯一的一個(gè)GPS接收器來確定位置。
目前定位精度高的是差分定位，或稱相對(duì)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(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)。如果好奇心還沒滿足的話，我們繼續(xù)了解一些GPS相關(guān)的背景知識(shí)。
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(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)通用參照系中的位置、速度和時(shí)間信息的要求。
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(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)。
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(guó)家利益不受侵害)：
SA--選擇可用性，認(rèn)為降低普通用戶的測(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。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)
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(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.用戶部分
GPS用戶設(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
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