gps定位的基本原理

Posted 2023-03-16

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开发的朋友有所帮助。当然，本文并没有涉及具体的开发方面的技术。

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资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。

举例：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]);

那么，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这些位置信息从哪里来？
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卫星都在一刻不停地广播自己的位置，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）。 参考技术A 24颗GPS卫星在离地面2万200千米的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。

　　由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。

　　事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。

　　由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策(2000年5月1日取消)，使得民用GPS的定位精度只有100米。为提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技术，建立基准站 (差分台)进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差GPS，定位精度可提高到5米。 参考技术B 通过和卫星交互获取经纬信息。
GPS定位的工作原理是基于手机内置的GPS硬件直接和卫星交互来获取当前的经纬度信息，这种定位方式精确度非常高，缺点是只能在室外使用，室内基本收不到卫星信号。
网络定位的基本原理是根据手机当前网络位置的三个基站进行测速，一次计算出手机和每个基站之间的距离，在通过三角定位确定出一个大概的位置，这种定位方式精确度一般，但有点是在室内和室外都可以使用。

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GPS基本原理及其Matlab仿真的目录

参考技术A

1.1 GPS的发展简史及系统概述
1.2 GPS的服务与应用
1.2.1精密定位服务
1.2.2标准定位服务
1.3 Matlab的基本特性及基本语法
1.4矩阵与Matlab
1.4.1矩阵和向量
1.4.2向量的创建
1.4.3矩阵的创建
1.4.4点运算
1.4.5矩阵的数学运算
1.5数据的输入与输出
1.5.1字符串(文字)和注释的输出
1.5.2用INPUT函数输入数据
1.5.3数据文件的输入和输出
1.6程序流程控制
1.6.1程序流程控制概述
1.6.2程序流程控制的实现
1.7 Matlab函数
1.7.1 Matlab函数概述
1.7.2 函数文件
1.8编程练习 2.1利用到达时间测量值测距
2.1.1二维位置确定
2.1.2 利用卫星测距信号确定位置的原理
2.2参考坐标系
2.2.1地心惯性(ECI)坐标系
2.2.2地心地球固连(ECEF)坐标系
2.2.3世界测地系(WGS-84)
2.3利用伪随机噪声(PRN)码确定位置
2.3.1确定从卫星到用户的距离
2.3.2用户位置的计算
2.4 GPS载波相位测量定位
2.4.1 GPS载波相位测量
2.4.2 GPS载波相位测量的单点定位问题
附录A用户位置的求解仿真 3.1天球坐标系和地球坐标系
3.1.1天球概述
3.1.2两种天球坐标系及其转换模型
3.1.3极移与国际协议地极原点
3.1.4两种地球坐标系及其转换模型
3.1.5 瞬时极(真)天球坐标系到瞬时极(真)地球坐标系的转换模型
3.1.6 WGS-84世界大地坐标系
3.2 GPS时间系统
3.2.1世界时系统
3.2.2原子时
3.2.3力学时
3.2.4协调世界时
3.2.5 GPS系统时
3.3 GPS卫星的运动
3.3.1开普勒定律
3.3.2无摄卫星运动的轨道参数
3.3.3真近地点角的概念及求解
3.3.4卫星瞬时位置的求解
3.3.5卫星无摄运动轨道方程的力学解释及摄动的修正
附录B GPS卫星的动态仿真 　4.1概述
4.2 GPS卫星的测距码信号
4.2.1码的基本概念
4.2.2伪随机噪声码及其产生
4.2.3 GPS的测距码信号
4.3 GPS卫星的导航电文
4.3.1导航电文格式
4.3.2导航电文的内容
4.4 Matlab仿真C/A码的产生及调制 5.1概述
5.2 GPS卫星信号的多普勒效应
5.3 GPS卫星信号捕获的考虑
5.3.1捕获时的最大电文长度
5.3.2捕获中的频率步长
5.4 GPS卫星信号的捕获方法
5.4.1传统捕获方法
5.4.2循环相关捕获方法
5.4.3延迟与累积捕获方法
5.4.4长记录电文的相干处理
5.4.5精频估计的基本概念
5.4.6消除精频测量中的不确定性
5.5 Matlab与Simulink仿真简介
5.5.1仿真工具简介
5.5.2 Simulink的使用
5.6 GPS卫星信号捕获的例子
5.7关于捕获的一些子程序
5.7.1随机编码过程仿真
5.7.2获取导航信息的仿真
5.7.3模拟捕获延迟的仿真
附录C GPS捕获仿真程序 6.1概述
6.2锁相环的基本理论
6.2.1一阶锁相环
6.2.2二阶锁相环
6.2.3连续系统到离散系统的转换
6.3 GPS信号跟踪
6.3.1载波和码元跟踪
6.3.2利用锁相环跟踪GPS信号
6.3.3 BASS方法中的载波频率更新
6.3.4 Kernel函数的不连续性
6.3.5 C/A码起始点的精确性
6.4跟踪过程的高测时精度
6.4.1通过理想相关输出获得高测时精度
6.4.2通过曲线拟合获得高测时精度
6.5 BASS跟踪过程的输出
6.6 RF与C/A码的混合
附录D 方程(6—26)的积分过程 7.1 GPS接收机
7.1.1 GPS接收机的基本构成
7.1.2 GPS接收机的分类
7.1.3数字GPS接收机
7.1.4 GPS接收机的选择
7.2基于RF8009的GPS接收机电路
7.2.1 RF8009简介
7.2.2 RF8009的主要性能指标
7.2.3 RF8009模块封装与引脚功能
7.2.4 RF8009的内部结构
7.2.5 RF8009电路应用
7.2.6 RF8009封装尺寸
7.3基于嵌入式系统的GPS应用设计
7.3.1嵌入式系统比较
7.3.2 GPS应用开发的要求
参考文献
……