GPS定位的基本原理

1、本文格式为Word版，下载可任意编辑GPS定位的基本原理 位置服务已经成为越来越热的一门技术，也将成为以后全部移动设备（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gps莫属了。网络上介绍GPS原理的专业资料许多，而本文试图从编程人员的角度动身，以一种程序员易于理解的方式来简洁介绍一下GPS定位的基本原理，盼望对做GPS开发的伴侣有所启发。当然，本文并没有涉及详细的开发方面的技术。 一、GPS定位数学模型之所以先介绍数学模型，是由于我认为这个数学模型可能是程序员比较关怀的问题。当然事先声明，这个模型只是我依据一些GPS资料总专为程序员总结出来的一个简化模型

2、，细节方面可能并不符合实际，想了解详细细节请参考专业的GPS讲解资料。GPS定位，实际上就是通过四颗已知位置的卫星来确定GPS接收器的位置。 如上图所示，图中的GPS接收器为当前要确定位置的设备，卫星1、2、3、4为本次定位要用到的四颗卫星:Position1、Position2、Position3、Position4分别为四颗卫星的当前位置（空间坐标），已知d1、d2、d3、d4分别为四颗卫星到要定位的GPS接收器的距离，已知Location 为要定位的卫星接收器的位置，待求那么定位的过程，简洁来讲就是通过一个函数GetLocation(),从已知的Position1,d1、Position

3、2,d2、Position3,d3、Position4,d4四对数据中求出Location的值。用程序员熟识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？立体几何还没有忘洁净的可能还要问：为什么必需要4对参数呢？那下面我们就来一起探究一下。1.Position1、Position2、Position3、Position4这些位置信息从哪里来？实际上，运行于宇宙空间的GPS卫星，

4、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置坐标信息。任何一个GPS接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）。这就是这些位置信息的。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卫星都在不辞辛苦地广播自己的位置，那么在发送位置信息的同时，也会附加上该数据包发出时的时间戳。GPS接收器收到数据包后，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

5、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，那么抱负速度就是光速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，但是肯定存在这样类似的运算规律。这些运算规律可以由软件来实现，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.为什么要必需要四对参数？依据立体几何学问，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，但我们可以通过规律推断

6、舍去一个），为什么这里需要四对呢？抱负状况下，的确三对就够了，也就是说抱负状况下只需要三颗卫星就可以实现GPS定位。但是事实上，必需要四颗。由于依据上面的公式，di是通过c*Ti计算出来的，而我们知道c值是很大的（抱负速度即光速），那么对于时间Ti而言，一个微小的误差都会被放大许多倍从而导致整个结果无效。也就是说，在GPS定位中，对时间的精度要求是极高的。GPS卫星上是用铯原子钟来计时的，但是我们不行能为每一个GPS接收器也配一个铯原子钟，由于一个铯原子钟的价格可能已经超过了这个GPS设备再加上使用GPS的这辆珍贵汽车的价格。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，GP

7、S卫星广播的自己的位置也可能会有误差。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。至于详细的细节，我们就不用关怀了，我们只要知道，多用一组数据，就可以通过一些奇妙的算法，消退或减小误差，保证定位有效。这就是GetLocation（）函数必需用四组数据的缘由，也就是为什么必需有四颗卫星才能定位的缘由。5.GetLocation（）函数返回的位置信息怎样被GPS设备识别呢？前面说在进行位置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

8、要用的是一个经度，纬度，高度这样的位置信息。那么我们可以想象，在GetLocation()函数返回位置结果前，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实际上上面所说的只是定位原理中的其中一种，称为单点定位，或肯定定位。就是通过唯一的一个GPS接收器来确定位置。 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()函数基本搞清晰了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

9、道也不影响编程）。假如奇怪心还没满意的话，我们连续了解一些GPS相关的背景学问。 二、GPS卫星是哪里来的？（废话，当然是人放射的！地球人放射的！）GPS（Global Position System,全球定位系统），全称为NAVSTAR GPS（NAVigation Satellite Timing 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，它用以满意军方在地面或近地空间内猎取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。1.GPS进展历程1957年10月第一颗人造地球卫星Sput

10、nik放射胜利，空基导航定位由此开头1958年开头设计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年海湾战斗中，GPS首次大规模用于实战；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GPS精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，认为降低一般用户的

11、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-反电子哄骗。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，即伽利略方案），欧盟北斗导航系统，中国三、GPS系统的构成GPS系统=空间部分+掌握部分+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

12、卫星 2.掌握部分 GPS掌握部分由1个主控站，5个检测站和3个注入站组成。组成：GPS掌握部分=主控站（1个）+监测站（5个）+注入站（3个）作用：监测和掌握卫星运行，编算卫星星历（导航电文），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，掌握卫星，当卫星消失故障时，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准时钟修正参数等注入卫星。 分布状况： 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。 3.用户部分 GPS用户设备部分包含GPS接收器及相关设备。GPS接收器主要由GPS芯片构成。如车载、船载GPS导航仪，内置GPS功能的移动设备，GPS测绘设备等都属于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。GPS定位是目前最为精确、应用最为广泛的定位导航技术，以