5分钟了解GPS定位原理

矿泉水

2020年6月23日9时43分，西昌卫星发射中心，我国北斗三号全球卫星导航系统最后一颗“收官之星”发射升空。随着卫星顺利进入预定轨道，也正式宣告发射成功。至此，我国北斗卫星导航系统的55颗卫星全部发射入网。GPS全名叫“Global  Positioning  System”，即全球定位系统，最早起源于美国的军事项目。中国的北斗、美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略，这4套全球定位系统的原理基本是一样的。我们除了可以用全球定位系统进行导航，引导我们到某地，还可用于应急通讯、地理测绘、呼叫指挥等。

大家可能不知道，其实GPS除了可以定位，还可以授时，也就是告诉你准确的时间。比如我们这里有一辆带有GPS接收机的汽车，假设我们不知道这辆汽车的空间坐标、、，也不知道它的时间坐标。

但是，我们可以从卫星接收一些信息。卫星内部有星历，知道自己准确的空间坐标、、，同时因为卫星有精确的原子钟，我们也可以得到一个准确的时间，卫星会把这些信息发送给汽车。

坐标和时间其实是有一定的联系的，通过坐标或通过时间，我们都可以算出GPS接收机与卫星之间的距离，也就是下图中汽车与卫星之间线段的长度。通过坐标计算距离就是用勾股定理，设汽车到卫星距离为，则，开平方后可得。

我们再通过时间来求出汽车到卫星的距离，即信号传输的速度乘以信号传输的时间，也就是，其中为光速，我们取。我們通过以上两种方式算出的距离，实际上它们是相等的，所以我们会得到这个方程：。

在这个方程里，有4个未知数、、和，根据我们学过的数学知识，通过这一个方程我们是不能解出这4个未知数的，我们需要4个这样的方程才可以解。因此，汽车再接收3个卫星的数据，我们就可以得到另外3个方程，最终我们就可以解出、、和。

所以，GPS接收机至少要通过4颗卫星才能确定自己的空间坐标和时间坐标。而且，如果想要得到更稳定、更好的信号的话，还需要提升GPS卫星数量以达到信号的有效覆盖总面积上升，实现“无缝覆盖”。

GPS卫星定位最不好解决的问题就是误差，因为信号在传输的时候，受大气等因素的影响，速度哪怕慢一丁点，误差都比较大。想要减少误差，我们就要用差分GPS这项技术，它可以大大提高GPS的定位精度。在与汽车相对较近的已知坐标点上布放一个GPS基准站，它也可以接收到为汽车提供位置信息的卫星的信号，根据这些信号算出坐标值，与已知的固定坐标比较，得出坐标的偏差量，然后将偏差量或者实时测得的载波相位，通过数传链路或移动通信网络发送给汽车，汽车再根据接收到的信息进行修正。

·为什么GPS卫星不会“累”？·

许多人有这样一种误解，认为地球上有那么多设备都在同时使用GPS定位，GPS卫星处理得过来吗？GPS卫星难道不会“累”吗？

实际上，并不是GPS卫星处理全球的位置请求，而是设备接收到卫星信号之后，自己通过算法实现定位，即所谓的“被动定位”。简单地说，不是设备问卫星：“我在哪？现在几点？”而是卫星不停在广播：“我在这里，现在时间是XXX！”即GPS卫星只负责发射信号，设备只负责接收信号，二者之间是没有其他交流的。