GPS定位器的原理

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1、位置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GPS莫属了。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。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

2、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。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: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：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

3、？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。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。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

4、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：这就是di(i=1,2,3,4)的来源了。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）。根据立体几何知识，三维空间中，三对[Pos

5、itioni,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。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c值是很大的（理想速度即光速），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卫星上是用銫原子钟来计时的，但是我们不可能为每一个GPS接收器也配一个銫原子钟，因为一个銫原子钟

6、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

7、么必须有四颗卫星才能定位的原因。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。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，或绝对定位。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

8、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