【Android】GPS定位基本原理浅析

        位置服务已经成为愈来愈热的一门技术，也将成为之后全部移动设备（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、应用最普遍的，天然非GPS莫属了。网络上介绍GPS原理的专业资料不少，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。固然，本文并无涉及具体的开发方面的技术。

GPS定位数学模型

        之因此先介绍数学模型，是由于这个数学模型多是程序员比较关心的问题。固然这个模型只是根据一些GPS资料而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，实际上就是经过四颗已知位置的卫星来肯定GPS接收器的位置。

 

        

        如上图所示，图中的GPS接收器为当前要肯定位置的设备，卫星一、二、三、4为本次定位要用到的四颗卫星:

1. Position一、Position二、Position三、Position4分别为四颗卫星的当前位置（空间坐标），已知
2. d一、d二、d三、d4分别为四颗卫星到要定位的GPS接收器的距离，已知
3. Location 为要定位的卫星接收器的位置，待求

        那么定位的过程，简单来说就是经过一个函数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]);

 

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逐层分析

        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？由谁来执行的呢？立体几何尚未忘干净的可能还要问：为何必需要4对参数呢？那下面就来一块儿探究一下。

1.Position一、Position二、Position三、Position4这些位置信息从哪里来？

1. 实际上，运行于宇宙空间的GPS卫星，每个都在时刻不停地经过卫星信号向全世界广播本身的当前位置坐标信息。
2. 任何一个GPS接收器均可以经过天线很轻松地接收到这些信息，而且可以读懂这些信息（这其实也是每个GPS芯片的核心功能之一）。
3. 这就是这些位置信息的来源。

2.d一、d二、d三、d4这些距离信息从哪里来？

1. 咱们已经知道每个GPS卫星都在不辞辛劳地广播本身的位置，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。
2. GPS接收器收到数据包后，用当前时间（当前时间固然只能由GPS接收器本身来肯定了）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。
3. 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。
4. 数据包是经过无线电波传送的，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);
5. 这就是di(i=1,2,3,4)的来源了。

3.GetLocation()函数是如何执行的？

1. 这个函数是为了说明问题而虚构的，事实上未必存在，可是必定存在这样相似的运算逻辑。
2. 这些运算逻辑能够由软件来实现，可是事实上可能大都是由硬件芯片来完成的（这可能也是每个GPS芯片的核心功能之一）。

4.为何必需要四对参数？

1. 根据立体几何知识，三维空间中，三对[Positioni,di]这样的数据就能够肯定一个点了（实际上多是两个，但咱们能够经过逻辑判断舍去一个），为何这里须要四对呢？理想状况下，的确三对就够了，也就是说理想状况下只须要三颗卫星就能够实现GPS定位。可是事实上，必需要四颗。
2. 由于根据上面的公式，di是经过c*Ti计算出来的，而c值是很大的（理想速度即光速），那么对于时间Ti而言，一个极小的偏差都会被放大不少倍从而致使整个结果无效。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，可是咱们不可能为每个GPS接收器也配一个銫原子钟，由于一个銫原子钟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。
3. 同时，因为速度c也会受到空中电离层的影响，所以也会有偏差;再者，GPS卫星广播的本身的位置也可能会有偏差。其余等等一些因素也会影响数据的精确度。
4. 总之，数据是存在偏差的。这些偏差可能致使定位精确度下降，也可能直接致使定位无效。GetLocation（函数）中多用了一组数据，正是为了来校订偏差。至于具体的细节，咱们就不用关心了，咱们只要知道，多用一组数据，就能够经过一些巧妙的算法，消除或减少偏差，保证定位有效。这就是GetLocation（）函数必须用四组数据的缘由，也就是为何必须有四颗卫星才能定位的缘由。

5.GetLocation（）函数返回的位置信息怎样被GPS设备识别呢？

1. 前面说在进行位置计算时都是用的空间坐标形式表示，可是对GPS设备及应用程序而言，一般须要用的是一个[经度，纬度，高度]这样的位置信息。
2. 那么咱们能够想象，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
3. 咱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。

6.单点定位与差分定位

• 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：就是经过惟一的一个GPS接收器来肯定位置

    

• 目前定位精度最高的是差分定位，或称相对定位：就是经过增长一个参考GPS接收器来提升定位精度

    

1. 上面咱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（其实不知道也不影响编程）。
2. 若是好奇心还没知足的话，咱们继续了解一些GPS相关的背景知识。

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GPS系统的构成

• GPS系统=空间部分+控制部分+用户部分

    

空间部分

1. GPS空间部分主要由24颗GPS卫星构成，其中21颗工做卫星，3颗备用卫星。
2. 24颗卫星运行在6个轨道平面上，运行周期为12个小时。
3. 保证在任一时刻、任一地点高度角15度以上都可以观测到4颗以上的卫星。
4. 主要做用：发送用于导航定位的卫星信号。
5. 构成：24颗卫星=21颗工做卫星+3颗备用卫星

    

控制部分

1. GPS控制部分由1个主控站，5个检测站和3个注入站组成。
2. 组成：GPS控制部分=主控站（1个）+监测站（5个）+注入站（3个）
3. 做用：监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文），保持系统时间。
1. 主控站：从各个监控站收集卫星数据，计算出卫星的星历和时钟修正参数等，并经过注入站注入卫星；向卫星发布指令，控制卫星，当卫星出现故障时，调度备用卫星。
2. 监控站：接收卫星信号，检测卫星运行状态，收集天气数据，并将这些信息传送给主控站。
3. 注入站：将主控站计算的卫星星历及时钟修正参数等注入卫星。 

        

 

    4.分布状况：

1. 主控站：位于美国科罗拉多州（Calorado）的法尔孔（Falcon）空军基地。
2. 注入站：阿松森群岛（Ascendion）,大西洋；迭戈加西亚（Diego Garcia）,印度洋；卡瓦加兰（Kwajalein），东太平洋。
3. 监控站：1个与主控站在一块儿；3个与注入站在一块儿；另一个在夏威夷（Hawaii）,西太平洋。

    

用户部分

1. GPS用户设备部分包含GPS接收器及相关设备。
2. GPS接收器主要由GPS芯片构成。
3. 如车载、船载GPS导航仪，内置GPS功能的移动设备，GPS测绘设备等都属于GPS用户设备。
4. 组成：主要为GPS接收器
5. 做用：接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备，GPS系统的消费者。

参考文章

• http://blog.csdn.net/webgeek/article/details/18220891