小米手机学院GPS定位基本原理浅析

1、位谿服务已经成为越来越热的一门技术，也将成为以后所有移动设备（智能手机、掌上电脑等）的标配。而定位导航技术中，目前精度最高、应用最广泛的，自然非GPsa属了。网络上介绍GPS原理的专业资料很多，而本文试图从编程人员的角度出发，以一种程序员易于理解的方式来简单介绍一下 GPS定位的基本原理， 希望对做GPS开发的朋友有所启发。 当然，本文并没有涉 及具体的开发方面 的技术。、GP注位数学模型之所以先介绍数学模型，是因为我认为这个数学模型可能是程序员比较关心的问题。 当然事 先声明，这个模型只是我根据一些 GPS料总专为程序员总结出来的一个简化模型， 细节方面可 能并不符合实际，想了解具体细节请参

2、考专业的 GPSW解资料。GPS定位，实际上就是通过四颗已知位谿的卫星来确定 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 |如上图所示，图中的GP成收器为当前要确定位谿的设备，卫星 1、2、3、4为本次定位要用到的四颗卫星：? Positionl 、Position2 、Position3 、Position4 分别为四颗卫星的当前位谿（空间坐标）， 已知? di、d2、d3、d4分别为四颗

3、卫星到要定位的GPS接收器的距离，已知? Location为要定位的卫星接收器的位谿，待求那么定位的过程，简单来讲就是通过一个函数GetLocation(), 从已知的Position1,d1 、Position2,d2 、Position3,d3 、Position4,d4四对数据中求出Location 的值。用程序员熟悉的函数调用来表示就是：Location=GetLocation(Position1,d1, Position2,d2,Position3,d3,Position4,d4);一看到这个函数调用，程序员们就该来劲了：这些参数从哪里来？这个函数又是如何执行？由谁来执行的呢？立体几

4、何还没有忘干净的可能还要问：为什么必须要 4对参数呢？那下面我们就来一起探究一下。1. Position1 、Position2 、Position3、Position4 这些位谿信息从哪里来？实际上，运行于宇宙空间的 GPS卫星，每一个都在时刻不停地通过卫星信号向全世界广播自己的 当前位谿坐标信息。任何一个GP眼收器都可以通过天线很轻松地接收到这些信息，并且能够读懂这些信息(这其实也是每一个GPS芯片的核心功能之一)。这就是这些位谿信息的来源。2. d1、d2、d3、d4这些距离信息从哪里来？我们已经知道每一个GPS卫星都在不辞辛劳地广播自己的位谿，那么在发送位谿信息的同时， 也会附加上该数

5、据包发出时的时间戳。GPS妾收器收到数据包后，用当前时间(当前时间当然只能由GPS接收器自己来确定了)减去时间戳上的时间，就是数据包在空中传输所用的时间了。知道了数据包在空中的传输时间，那么乘上他的传输速度，就是数据包在空中传输的距离，也就是该卫星到 GPS接收器的距离了。数据包是通过无线电波传送的，那么理想速度就是光速c,把传播时间记为 Ti的话，用公式表示就是： di=c*Ti(i=1,2,3,4); 这就是 di(i=1,2,3,4)的来源了。3. GetLocation()函数是如何执行的？这个函数是我为了说明问题而虚构的，事实上未必存在，但是一定存在这样类似的运算逻辑。这些运算逻辑可

6、以由软件来实现，但是事实上可能大都是由硬件芯片来完成的(这可能也是每一个GPS芯片的核心功能之一)。4. 为什么要必须要四对参数？根据立体几何知识，三维空间中，三对 Positioni,di这样的数据就可以确定一个点了(实际上可能是两个，但我们可以通过逻辑判断舍去一个)，为 什么这里需要四对呢？理想情况下， 的确三对就够了， 也就是说理想情况下只需要三颗卫星就可以实现GPS定位。但是事实上，必须要四颗。"c值是很大的(理想速度即光而导致整个结果无效。也就因 为根据上面的公式，di是通过c*Ti计算出来的，而我们知道 速)，那么对于时间 Ti而言，一个极小的误差都会被放大很多倍从 是说

7、，在GPS定位中，对时间的精度要求是极高的。GPS卫星上是用 原子钟来计时的，但是我们不可能为每一个 GPS接收器也配一个原子钟，因为一个原子钟的价格可能已经超过了这 个GPS设备再加上使用 GPS的这辆名贵汽车的价格。同时，由于速度 c也会受到空中电离层的影响，因此也会有误差；再者，GPS卫星广播的自己的位谿也可能会有误差。其他等等一些因素也会影响数据的精确度。总 之，数据是存在误差的。这些误差可能导致定位精确度降低，也可能直接导致定位无效。GetLocation (函数)中多用了一组数据，正是为了来校正误差。至于具体的细节，我们就不用关心了，我们只要知道，多用一组数据，就可以通过一些巧妙的

8、算法，消除或减小误差，保证定 位有效。这就是GetLocation ()函数必须用四组数据的原因，也就是为什么必须有四颗卫星才能定位的原因。$ D； _" _5.GetLocation ()函数返回的位谿信息怎样被GPS设备识别呢？前 面说在进行位谿计算时都是用的空间坐标形式表示，但是对GPS设备及应用程序而言，通常需要用的是一个经度，纬度，高度这样的位谿信息。那么我们可以想象，在GetLocation()函数返回位谿结果前，可能会进行一个从空间坐标形式到经纬度形式的转换，我们不妨假设存在一个Convert(经纬 度，空间坐标)这样的函数来进行这个转换。6.单点定位与差分定位4实际上

9、上面所说的只是定位原理中的其中一种，称为单点定位，或绝对定位。就是通过唯一的一个GPS接收器来确定位谿。目前定位精度最高的是差分定位，或称相对定位。就是通过增加一个参考 GPS接收器来提高定位精度。上面我们已经围绕一个虚拟的GetLocation（） 函数基本搞清楚了 GPS定位的基本数学模型，对于编程而言，知道这些就足够了（其实不知道也不影响编程）。如果好奇心还没满足的话，我们继 续了解一些GPS相关的背景知识。二、GPSLE星是哪里来的？（废话，当然是人发射的！地球人发射的！）GPS（ Global Position System,全球定位系统），全称为 NAVSTAR GPS NAVig

10、ation SatelliteTiming And Ranging Global Position System，导航星测时与测距全球定位系统）。GPS是一个由美国国防部开发的空基全天侯导航系统，它用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位谿、速度和时间信息的要求。1. GPS发展历程? 1957年10月第一颗人造地球卫星Sputnik I发射成功，空基导航定位由此开始? 1958年开始设计 NNSS-TRANSIT即子午卫星系统；1964年该系统正式运行；1967年该系统解密以供民用。? 1973年，美国国防部批准研制 GPS;1991年海湾战争中，GPS首次大规模用于实战；

11、1994年，GPS全部建成投入使用；2000年，克林顿宣布，GPS取消实施SA（对民用GP啪度的一种人为限制策略）。2. 美国政府的的GPS策略?两种GPS服务：SPS-标准定位服务，民用，精度约为 100M;PPS-精密定位服务，军用和得到特许的民间用户使用，精度高达10M.?两种限制民用定位精度的措施（保障国家利益不受侵害 ）：SA-选择可用性，认为降低普通用户的测量精度，限制水平定位精度 100M,垂直157M（已于2005年5月1日取消）;"AS-反电子欺骗。3.其他卫星导航系统? GLONASS全球轨道导航卫星系统），前苏联? Galileo-ENSS （欧洲导航卫星系统，

12、即伽利略计划），欧盟?北斗导航系统，中国 ！三、GPS系统的构成GPS系统=空间部分+控制部分+用户部分1.空间部分#GPS空间部分主要由 24颗GPS卫星构成，其中 21颗工作卫星，3颗备用卫星。24颗卫星运行在 6个轨道平面上，运行周期为 12个小时。保证在任一时刻、任一地点高度角15度以上都能够观测到4颗以上的卫星。主要作用：发送用于导航定位的卫星信号。构成：24颗卫星=21颗工作卫星+3颗备用卫星 ，2.控制部分GPS空制部分由1个主控站，5个检测站和3个注入站组成。组成：GPS空制部分=主控站（1个）+监测站（5个）+注入站（3个）作用：监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文），

13、保持系统时间。?主控站：从各个监控站收集卫星数据，计算出卫星的星历和时钟修正参数等，并通过注入站注入卫星；向卫星发布指令，控制卫星，当卫星出现故障时，调度备用卫星。?监控站：接收卫星信号，检测卫星运行状态，收集天气数据，并将这些信息传送给主控站。?注入站：将主控站计算的卫星星历及时钟修正参数等注入卫星。分布情况：?主控站：位于美国科罗拉多州( Calorado )的法尔孔(Falcon )空军基地。?注入站：阿松森群岛( Ascendion ),大西洋；迭戈加西亚( Diego Garcia ),印度洋；卡瓦加 兰(Kwajalein ),东太平洋。?监控站：1个与主控站在一起；3个与注入站在一起；另外一个在夏威夷(Hawaii )，西太平洋。GlobalSystein (GPS) Master Control 珂d Monitor Station3.用户部分GPS用户设备部分包含 GPS®收器及相关设备。GPS®收器主要由 GPS芯片构成。如车载、船载 GPS导航仪，内谿 GPS功能的移动设备， GPS绘设备等都属于 GPS用户设备。 组成：主要为GPS接收器作用：接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备，GPS系统的消费者。GP