1. GPS是怎么定位的

GPS的定位是靠GPS接收芯片來(lái)定位的，這個(gè)芯片可以接收、處理GPS信號(hào)，并且輸出坐標(biāo)值，而各個(gè)應(yīng)用就是用這個(gè)坐標(biāo)值在地圖上標(biāo)志你的位置的。GPS芯片可以?xún)?nèi)置在各種設(shè)備中，包括專(zhuān)用GPS定位儀、汽車(chē)、智能手機(jī)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(chǔ)原理是非常簡(jiǎn)單的：假設(shè)GPS衛(wèi)星的坐標(biāo)是已知的，你的位置(x,y,z)是未知的，那么衛(wèi)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(wèi)星1到你的距離，也是已知的。這是中小學(xué)就學(xué)到的數(shù)學(xué)公式，這里面未知參數(shù)只有。根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)原理，我們知道，要解算這三個(gè)未知數(shù)，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(shuō)理論上只要3顆衛(wèi)星就能夠定位了。

但是事實(shí)上，衛(wèi)星到你的位置的距離是很難準(zhǔn)確獲取的，它受到無(wú)線信號(hào)傳播的各種誤差影響，比如電離層、對(duì)流層以及GPS其他誤差影響。但是我們可以認(rèn)為不同衛(wèi)星的這些誤差對(duì)你的影響是一樣的，我們把所有這些改正和誤差認(rèn)為都是∆ρ，這也是一個(gè)未知數(shù)，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(shù)是(x,y,z，∆ρ)，要解算這四個(gè)數(shù)，就必須要至少4顆衛(wèi)星，這也是為什么GPS定位必須要4顆衛(wèi)星的原因，當(dāng)然觀測(cè)的衛(wèi)星書(shū)越多，就可以分解開(kāi)，解算越準(zhǔn)確。

3. 為什么GPS衛(wèi)星位置是已知的

在GPS定位原理中GPS衛(wèi)星的位置是已知的，那么它的位置是怎么確定的呢？GPS衛(wèi)星的位置由地面觀測(cè)站持續(xù)觀測(cè)，計(jì)算其位置，然后把計(jì)算后的位置發(fā)送到GPS衛(wèi)星，然后再由GPS衛(wèi)星通過(guò)無(wú)線電波廣播給全球。

這就要求地面上有主控站、觀測(cè)站、注入站等地面設(shè)施，并且要求在全球盡可能的平均分布布站，尤其是觀測(cè)站，這需要全球的部署能力，這也是為什么美國(guó)有天然做GPS衛(wèi)星布設(shè)能力的原因，其他國(guó)家很難在全局布局。

同時(shí)，GPS衛(wèi)星的軌道在距離地面2萬(wàn)公里的同步軌道，衛(wèi)星位置比較固定，并且軌道近似圓形，這也便于觀測(cè)站確定衛(wèi)星的位置。

4. 如何計(jì)算衛(wèi)星到你的距離

在GPS定位原理中GPS衛(wèi)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(wèi)星上有原子鐘來(lái)計(jì)時(shí)，有振蕩器產(chǎn)生一定頻率的無(wú)線電波；同時(shí)在你的GPS芯片上也有時(shí)鐘計(jì)時(shí)，并且也有振蕩器跟GPS衛(wèi)星同時(shí)產(chǎn)生同樣頻率的無(wú)線電信號(hào)，當(dāng)GPS芯片接受到衛(wèi)星傳來(lái)的無(wú)線電信號(hào)時(shí)，就與芯片自身產(chǎn)生的信號(hào)做比對(duì)，得到信號(hào)傳播的時(shí)間差，再乘以光速就得到了距離。

一般來(lái)說(shuō)GPS芯片上的時(shí)鐘是石英鐘，跟衛(wèi)星上的原子鐘不是一個(gè)量級(jí)，這就使GPS芯片不能與GPS衛(wèi)星完全同步，這也是導(dǎo)致GPS誤差的一個(gè)因素，叫做時(shí)鐘誤差。

GPS發(fā)出的信號(hào)頻度不止一種，有300米波長(zhǎng)的，也有20厘米左右波長(zhǎng)的信號(hào)，這就意味著距離計(jì)算的誤差可能多達(dá)300米，也可能誤差有20厘米。那么是不是波長(zhǎng)越短越好呢？這不一定，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)越短，計(jì)算復(fù)雜度越高，對(duì)設(shè)備要求越高，看用途而已。一般智能手機(jī)用的是什么波長(zhǎng)的，我還真沒(méi)仔細(xì)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(shí)間是要耗時(shí)的，比如智能手機(jī)有時(shí)需要幾分鐘才能定位，為什么這么慢呢？上面說(shuō)了，GPS的距離計(jì)算是用衛(wèi)星信號(hào)與GPS芯片產(chǎn)生的同時(shí)、同頻率的信號(hào)偏差來(lái)，可是能比對(duì)的只是一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)的信號(hào)偏差，在這個(gè)波長(zhǎng)偏差之前你并不知道GPS信號(hào)已經(jīng)傳播了多少個(gè)完整波長(zhǎng)，必須要通過(guò)連續(xù)的衛(wèi)星信號(hào)分析，才能確定出衛(wèi)星信號(hào)傳播的準(zhǔn)確波長(zhǎng)數(shù)目，從而精確計(jì)算距離，這個(gè)計(jì)算過(guò)程是GPS定位慢的主要耗時(shí)原因。

于此同時(shí)，GPS信號(hào)在電離層、對(duì)流層、鐘差等等大量可能的誤差，也都是當(dāng)成未知數(shù)通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)衛(wèi)星信號(hào)分析才能計(jì)算出來(lái)，這也是GPS定位慢的重要原因。

6. 如何來(lái)加速GPS定位？

上面說(shuō)了，GPS定位慢的原因是在計(jì)算各種誤差參數(shù)，假如在100平方公里范圍內(nèi)，我們認(rèn)為各種誤差參數(shù)和大部分的信號(hào)傳播整周是一樣的，那么我們?cè)诘孛嫔辖�立一個(gè)GPS接收站，它的坐標(biāo)是已知的，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間定位，計(jì)算出這些參數(shù)，然后把這些參數(shù)發(fā)送給周?chē)�的GPS芯片，這些GPS芯片就大大節(jié)省了結(jié)算時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速定位，這就是A-GPS的原理。

7. 如何提高定位精度？

因?yàn)榫嚯x相近的GPS芯片的各項(xiàng)誤差影響因素可以認(rèn)為是相同的，那么把幾個(gè)GPS芯片的定位數(shù)據(jù)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(guò)長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，就能大大的提高定位精度，甚至可以達(dá)到毫米級(jí)，不過(guò)這一般用在測(cè)繪等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。

我們一般智能手機(jī)用的定位精度是15米左右級(jí)別的，它的定位精度提高一般不用差分方法，而是采用應(yīng)用策略來(lái)提高。比如說(shuō)，在北京的道路上，道路之間的距離肯定會(huì)大于15米，GPS定位數(shù)據(jù)也是有方向的，那么我們根據(jù)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(biāo)糾正到道路上，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。

8. 全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

另外，現(xiàn)在的定位系統(tǒng)已經(jīng)不止美國(guó)的GPS一家，歐洲的伽利略系統(tǒng)、俄羅斯的Glonass系統(tǒng)、中國(guó)的北斗系統(tǒng)都已經(jīng)具備類(lèi)似的定位能力。如果定位芯片能夠整合多個(gè)定位系統(tǒng)也是可以提高定位精度和速度的，比如說(shuō)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(cè)衛(wèi)星的選取等，這些比較專(zhuān)業(yè)，不說(shuō)它了，我也說(shuō)不清楚。

9. 為何中國(guó)要建設(shè)自己的衛(wèi)星定位系統(tǒng)

GPS衛(wèi)星系統(tǒng)目前共有30顆左右衛(wèi)星圍著地球轉(zhuǎn)，具體數(shù)目不清楚，他們位置在離地面2萬(wàn)公里的同步軌道相對(duì)均勻的布設(shè)。GPS系統(tǒng)不僅是衛(wèi)星群，還包括1個(gè)主控站，在幾大洲都有注入站。給衛(wèi)星注入各種數(shù)據(jù)，同時(shí)在全球還有密布不少觀測(cè)站來(lái)觀測(cè)衛(wèi)星坐標(biāo)、狀態(tài)等。

美國(guó)已經(jīng)發(fā)布這個(gè)系統(tǒng)30多年了，一直免費(fèi)全球使用，的確很有戰(zhàn)略眼光，也很有經(jīng)濟(jì)頭腦。雖然這個(gè)系統(tǒng)投入巨大且全球免費(fèi)使用，但是因此帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略意義不用多說(shuō)。另外，上面說(shuō)了正因?yàn)镚PS定位靠的是無(wú)線信號(hào)的比對(duì)、計(jì)算，因此美國(guó)是可能干擾信號(hào)的，也就是說(shuō)能夠降低別人的定位精度，而自己的定位精度高。事實(shí)上美國(guó)也是這么干的，一直到了98年左右才取消了干擾。但是在戰(zhàn)時(shí)，美國(guó)隨時(shí)可以恢復(fù)干擾，這也是為什么歐洲、俄羅斯、中國(guó)都要建自己的定位系統(tǒng)的原因。