|
1. GPS是怎么定位的
GPS的定位是靠GPS接收芯片來定位的，這個芯片可以接收、處理GPS信號，并且輸出坐標值，而各個應用就是用這個坐標值在地圖上標志你的位置的。GPS芯片可以內置在各種設備中，包括專用GPS定位儀、汽車、智能手機等等。
2.² GPS的定位原理是什么
那么GPS芯片是怎么定位的呢？其基礎原理是非常簡單的：假設GPS衛星的坐標是已知的，你的位置(x,y,z)是未知的，那么衛星1(x1,y1,z1)到你的距離公式是：（x1-x）²+（y1-y）²+（z1-z）²=ρ1²
其中ρ是衛星1到你的距離，也是已知的。這是中小學就學到的數學公式，這里面未知參數只有。根據基礎數據原理，我們知道，要解算這三個未知數，必須要有三組這樣的公式，即：
（x1-x）²+（y1-y）2+（z1-z）²=ρ1²
（x2-x）²+（y2-y）²+（z2-z）²=ρ2²
（x3-x）²+（y3-y）²+（z3-z)=ρ3²
也就是說理論上只要3顆衛星就能夠定位了。
但是事實上，衛星到你的位置的距離是很難準確獲取的，它受到無線信號傳播的各種誤差影響，比如電離層、對流層以及GPS其他誤差影響。但是我們可以認為不同衛星的這些誤差對你的影響是一樣的，我們把所有這些改正和誤差認為都是∆ρ，這也是一個未知數，那么上面的公式就演變成：
(x1-x)²+(y1-y)²+(z1-z)²=ρ1²+∆ρ
（x2-x）²+（y2-y）²+（z2-z）²=ρ2²+∆ρ
（x3-x）²+（y3-y）²+（z3-z）²=ρ3²+∆ρ
（x4-x）²+（y4-y）²+（z4-z）²=ρ4²+∆ρ
這里面的未知數是(x,y,z，∆ρ)，要解算這四個數，就必須要至少4顆衛星，這也是為什么GPS定位必須要4顆衛星的原因，當然觀測的衛星書越多，就可以分解開，解算越準確。
3. 為什么GPS衛星位置是已知的
在GPS定位原理中GPS衛星的位置是已知的，那么它的位置是怎么確定的呢？GPS衛星的位置由地面觀測站持續觀測，計算其位置，然后把計算后的位置發送到GPS衛星，然后再由GPS衛星通過無線電波廣播給全球。
這就要求地面上有主控站、觀測站、注入站等地面設施，并且要求在全球盡可能的平均分布布站，尤其是觀測站，這需要全球的部署能力，這也是為什么美國有天然做GPS衛星布設能力的原因，其他國家很難在全局布局。
同時，GPS衛星的軌道在距離地面2萬公里的同步軌道，衛星位置比較固定，并且軌道近似圓形，這也便于觀測站確定衛星的位置。
4. 如何計算衛星到你的距離
在GPS定位原理中GPS衛星到你的位置的距離是已知的，那么這又是怎么確定的呢？
在GPS衛星上有原子鐘來計時，有振蕩器產生一定頻率的無線電波；同時在你的GPS芯片上也有時鐘計時，并且也有振蕩器跟GPS衛星同時產生同樣頻率的無線電信號，當GPS芯片接受到衛星傳來的無線電信號時，就與芯片自身產生的信號做比對，得到信號傳播的時間差，再乘以光速就得到了距離。
一般來說GPS芯片上的時鐘是石英鐘，跟衛星上的原子鐘不是一個量級，這就使GPS芯片不能與GPS衛星完全同步，這也是導致GPS誤差的一個因素，叫做時鐘誤差。
GPS發出的信號頻度不止一種，有300米波長的，也有20厘米左右波長的信號，這就意味著距離計算的誤差可能多達300米，也可能誤差有20厘米。那么是不是波長越短越好呢？這不一定，因為波長越短，計算復雜度越高，對設備要求越高，看用途而已。一般智能手機用的是什么波長的，我還真沒仔細研究，不清楚。
5. 為什么GPS不能立即定位？
大家都知道GPS芯片的定位時間是要耗時的，比如智能手機有時需要幾分鐘才能定位，為什么這么慢呢？上面說了，GPS的距離計算是用衛星信號與GPS芯片產生的同時、同頻率的信號偏差來，可是能比對的只是一個波長內的信號偏差，在這個波長偏差之前你并不知道GPS信號已經傳播了多少個完整波長，必須要通過連續的衛星信號分析，才能確定出衛星信號傳播的準確波長數目，從而精確計算距離，這個計算過程是GPS定位慢的主要耗時原因。
于此同時，GPS信號在電離層、對流層、鐘差等等大量可能的誤差，也都是當成未知數通過長時間連續衛星信號分析才能計算出來，這也是GPS定位慢的重要原因。
6. 如何來加速GPS定位？
上面說了，GPS定位慢的原因是在計算各種誤差參數，假如在100平方公里范圍內，我們認為各種誤差參數和大部分的信號傳播整周是一樣的，那么我們在地面上建立一個GPS接收站，它的坐標是已知的，通過長時間定位，計算出這些參數，然后把這些參數發送給周圍的GPS芯片，這些GPS芯片就大大節省了結算時間，實現快速定位，這就是A-GPS的原理。
7. 如何提高定位精度？
因為距離相近的GPS芯片的各項誤差影響因素可以認為是相同的，那么把幾個GPS芯片的定位數據求差，就能夠去掉大部分誤差的影響，這就是差分GPS原理。再通過長時間觀測，就能大大的提高定位精度，甚至可以達到毫米級，不過這一般用在測繪等專業領域。
我們一般智能手機用的定位精度是15米左右級別的，它的定位精度提高一般不用差分方法，而是采用應用策略來提高。比如說，在北京的道路上，道路之間的距離肯定會大于15米，GPS定位數據也是有方向的，那么我們根據GPS芯片距離最近的道路距離，以及GPS方向與道路的方向是否一致，把GPS的坐標糾正到道路上，實現準確定位。
8. 全球四大衛星導航系統
另外，現在的定位系統已經不止美國的GPS一家，歐洲的伽利略系統、俄羅斯的Glonass系統、中國的北斗系統都已經具備類似的定位能力。如果定位芯片能夠整合多個定位系統也是可以提高定位精度和速度的，比如說最新的小米2就支持GPS和Glonass定位。
其他提高定位精度的方法，比如觀測衛星的選取等，這些比較專業，不說它了，我也說不清楚。
9. 為何中國要建設自己的衛星定位系統
GPS衛星系統目前共有30顆左右衛星圍著地球轉，具體數目不清楚，他們位置在離地面2萬公里的同步軌道相對均勻的布設。GPS系統不僅是衛星群，還包括1個主控站，在幾大洲都有注入站。給衛星注入各種數據，同時在全球還有密布不少觀測站來觀測衛星坐標、狀態等。
美國已經發布這個系統30多年了，一直免費全球使用，的確很有戰略眼光，也很有經濟頭腦。雖然這個系統投入巨大且全球免費使用，但是因此帶來的經濟和戰略意義不用多說。另外，上面說了正因為GPS定位靠的是無線信號的比對、計算，因此美國是可能干擾信號的，也就是說能夠降低別人的定位精度，而自己的定位精度高。事實上美國也是這么干的，一直到了98年左右才取消了干擾。但是在戰時，美國隨時可以恢復干擾，這也是為什么歐洲、俄羅斯、中國都要建自己的定位系統的原因。
|
1393309596
蘇公網安備 32050802010523號