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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