網(wǎng)站首頁百科全書 >正文
位置服務(wù)已經(jīng)成為越來越熱的一門技術(shù),也將成為以后所有移動設(shè)備(智能手機、掌上電腦等)的標(biāo)配。而定位導(dǎo)航技術(shù)中,目前精度最高、應(yīng)用最廣泛的,自然非GPS莫屬了。網(wǎng)絡(luò)上介紹GPS原理的專業(yè)資料很多,而本文試圖從編程人員的角度出發(fā),以一種程序員易于理解的方式來簡單介紹一下GPS定位的基本原理,希望對做GPS開發(fā)的朋友有所啟發(fā)。當(dāng)然,本文并沒有涉及具體的開發(fā)方面的技術(shù)。
一、GPS定位數(shù)學(xué)模型之所以先介紹數(shù)學(xué)模型,是因為我認(rèn)為這個數(shù)學(xué)模型可能是程序員比較關(guān)心的問題。當(dāng)然事先聲明,這個模型只是我根據(jù)一些GPS資料總專為程序員總結(jié)出來的一個簡化模型,細(xì)節(jié)方面可能并不符合實際,想了解具體細(xì)節(jié)請參考專業(yè)的GPS講解資料。
GPS定位,實際上就是通過四顆已知位置的衛(wèi)星來確定GPS接收器的位置。
如上圖所示,圖中的GPS接收器為當(dāng)前要確定位置的設(shè)備,衛(wèi)星4為本次定位要用到的四顆衛(wèi)星:
PositionPositionPositionPosition4分別為四顆衛(wèi)星的當(dāng)前位置(空間坐標(biāo)),已知
dddd4分別為四顆衛(wèi)星到要定位的GPS接收器的距離,已知
Location 為要定位的衛(wèi)星接收器的位置,待求
那么定位的過程,簡單來講就是通過一個函數(shù)GetLocation(),從已知的[Position1,d1]、[Position2,d2]、[Position3,d3]、[Position4,d4]四對數(shù)據(jù)中求出Location的值。用程序員熟悉的函數(shù)調(diào)用來表示就是:
Location=GetLocation([Position1,d1],[Position2,d2],[Position3,d3],[Position4,d4]);
一看到這個函數(shù)調(diào)用,程序員們就該來勁了:這些參數(shù)從哪里來?這個函數(shù)又是如何執(zhí)行?由誰來執(zhí)行的呢?立體幾何還沒有忘干凈的可能還要問:為什么必須要4對參數(shù)呢?那下面我們就來一起探究一下。
PositionPositionPositionPosition4這些位置信息從哪里來?
實際上,運行于宇宙空間的GPS衛(wèi)星,每一個都在時刻不停地通過衛(wèi)星信號向全世界廣播自己的當(dāng)前位置坐標(biāo)信息。任何一個GPS接收器都可以通過天線很輕松地接收到這些信息,并且能夠讀懂這些信息(這其實也是每一個GPS芯片的核心功能之一)。這就是這些位置信息的來源。
dddd4這些距離信息從哪里來?
我們已經(jīng)知道每一個GPS衛(wèi)星都在不辭辛勞地廣播自己的位置,那么在發(fā)送位置信息的同時,也會附加上該數(shù)據(jù)包發(fā)出時的時間戳。GPS接收器收到數(shù)據(jù)包后,用當(dāng)前時間(當(dāng)前時間當(dāng)然只能由GPS接收器自己來確定了)減去時間戳上的時間,就是數(shù)據(jù)包在空中傳輸所用的時間了。
知道了數(shù)據(jù)包在空中的傳輸時間,那么乘上他的傳輸速度,就是數(shù)據(jù)包在空中傳輸?shù)木嚯x,也就是該衛(wèi)星到GPS接收器的距離了。數(shù)據(jù)包是通過無線電波傳送的,那么理想速度就是光速c,把傳播時間記為Ti的話,用公式表示就是:
di=c*Ti(i=1,2,3,4);
這就是di(i=1,2,3,4)的來源了。
GetLocation()函數(shù)是如何執(zhí)行的?
這個函數(shù)是我為了說明問題而虛構(gòu)的,事實上未必存在,但是一定存在這樣類似的運算邏輯。這些運算邏輯可以由軟件來實現(xiàn),但是事實上可能大都是由硬件芯片來完成的(這可能也是每一個GPS芯片的核心功能之一)。
為什么要必須要四對參數(shù)?
根據(jù)立體幾何知識,三維空間中,三對[Positioni,di]這樣的數(shù)據(jù)就可以確定一個點了(實際上可能是兩個,但我們可以通過邏輯判斷舍去一個),為什么這里需要四對呢?理想情況下,的確三對就夠了,也就是說理想情況下只需要三顆衛(wèi)星就可以實現(xiàn)GPS定位。但是事實上,必須要四顆。
因為根據(jù)上面的公式,di是通過c*Ti計算出來的,而我們知道c值是很大的(理想速度即光速),那么對于時間Ti而言,一個極小的誤差都會被放大很多倍從而導(dǎo)致整個結(jié)果無效。也就是說,在GPS定位中,對時間的精度要求是極高的。GPS衛(wèi)星上是用銫原子鐘來計時的,但是我們不可能為每一個GPS接收器也配一個銫原子鐘,因為一個銫原子鐘的價格可能已經(jīng)超過了這個GPS設(shè)備再加上使用GPS的這輛名貴汽車的價格。
同時,由于速度c也會受到空中電離層的影響,因此也會有誤差;再者,GPS衛(wèi)星廣播的自己的位置也可能會有誤差。其他等等一些因素也會影響數(shù)據(jù)的精確度。
總之,數(shù)據(jù)是存在誤差的。這些誤差可能導(dǎo)致定位精確度降低,也可能直接導(dǎo)致定位無效。GetLocation(函數(shù))中多用了一組數(shù)據(jù),正是為了來校正誤差。至于具體的細(xì)節(jié),我們就不用關(guān)心了,我們只要知道,多用一組數(shù)據(jù),就可以通過一些巧妙的算法,消除或減小誤差,保證定位有效。這就是GetLocation()函數(shù)必須用四組數(shù)據(jù)的原因,也就是為什么必須有四顆衛(wèi)星才能定位的原因。
GetLocation()函數(shù)返回的位置信息怎樣被GPS設(shè)備識別呢?
前面說在進行位置計算時都是用的空間坐標(biāo)形式表示,但是對GPS設(shè)備及應(yīng)用程序而言,通常需要用的是一個[經(jīng)度,緯度,高度]這樣的位置信息。那么我們可以想象,在GetLocation()函數(shù)返回位置結(jié)果前,可能會進行一個從空間坐標(biāo)形式到經(jīng)緯度形式的轉(zhuǎn)換,我們不妨假設(shè)存在一個Convert(經(jīng)緯度,空間坐標(biāo))這樣的函數(shù)來進行這個轉(zhuǎn)換。
單點定位與差分定位
實際上上面所說的只是定位原理中的其中一種,稱為單點定位,或絕對定位。就是通過唯一的一個GPS接收器來確定位置。
目前定位精度最高的是差分定位,或稱相對定位。就是通過增加一個參考GPS接收器來提高定位精度。
上面我們已經(jīng)圍繞一個虛擬的GetLocation()函數(shù)基本搞清楚了GPS定位的基本數(shù)學(xué)模型,對于編程而言,知道這些就足夠了(其實不知道也不影響編程)。如果好奇心還沒滿足的話,我們繼續(xù)了解一些GPS相關(guān)的背景知識。
二、GPS衛(wèi)星是哪里來的?(廢話,當(dāng)然是人發(fā)射的!地球人發(fā)射的!)
GPS(Global Position System,全球定位系統(tǒng)),全稱為NAVSTAR GPS(NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Position System,導(dǎo)航星測時與測距全球定位系統(tǒng))。GPS是一個由美國國防部開發(fā)的空基全天侯導(dǎo)航系統(tǒng),它用以滿足軍方在地面或近地空間內(nèi)獲取在一個通用參照系中的位置、速度和時間信息的要求。
GPS發(fā)展歷程
1957年10月第一顆人造地球衛(wèi)星SputnikⅠ發(fā)射成功,空基導(dǎo)航定位由此開始
1958年開始設(shè)計NNSS-TRANSIT,即子午衛(wèi)星系統(tǒng);
1964年該系統(tǒng)正式運行;
1967年該系統(tǒng)解密以供民用。
1973年,美國國防部批準(zhǔn)研制GPS;
1991年海灣戰(zhàn)爭中,GPS首次大規(guī)模用于實戰(zhàn);
1994年,GPS全部建成投入使用;
2000年,克林頓宣布,GPS取消實施SA(對民用GPS精度的一種人為限制策略)。
美國政府的的GPS策略
兩種GPS服務(wù):
SPS--標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù),民用,精度約為100M;
PPS--精密定位服務(wù),軍用和得到特許的民間用戶使用,精度高達(dá)10M.
兩種限制民用定位精度的措施(保障國家利益不受侵害):
SA--選擇可用性,認(rèn)為降低普通用戶的測量精度,限制水平定位精度100M,垂直157M(已于2005年5月1日取消);
AS--反電子欺騙。
其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)
GLONASS(全球軌道導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)),前蘇聯(lián)
Galileo-ENSS(歐洲導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng),即伽利略計劃),歐盟
北斗導(dǎo)航系統(tǒng),中國
三、GPS系統(tǒng)的構(gòu)成GPS系統(tǒng)=空間部分+控制部分+用戶部分
空間部分
GPS空間部分主要由24顆GPS衛(wèi)星構(gòu)成,其中21顆工作衛(wèi)星,3顆備用衛(wèi)星。24顆衛(wèi)星運行在6個軌道平面上,運行周期為12個小時。保證在任一時刻、任一地點高度角15度以上都能夠觀測到4顆以上的衛(wèi)星。
主要作用:發(fā)送用于導(dǎo)航定位的衛(wèi)星信號。
構(gòu)成:24顆衛(wèi)星=21顆工作衛(wèi)星+3顆備用衛(wèi)星
控制部分
GPS控制部分由1個主控站,5個檢測站和3個注入站組成。
組成:GPS控制部分=主控站(1個)+監(jiān)測站(5個)+注入站(3個)
作用:監(jiān)測和控制衛(wèi)星運行,編算衛(wèi)星星歷(導(dǎo)航電文),保持系統(tǒng)時間。
主控站:從各個監(jiān)控站收集衛(wèi)星數(shù)據(jù),計算出衛(wèi)星的星歷和時鐘修正參數(shù)等,并通過注入站注入衛(wèi)星;向衛(wèi)星發(fā)布指令,控制衛(wèi)星,當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)故障時,調(diào)度備用衛(wèi)星。
監(jiān)控站:接收衛(wèi)星信號,檢測衛(wèi)星運行狀態(tài),收集天氣數(shù)據(jù),并將這些信息傳送給主控站。
注入站:將主控站計算的衛(wèi)星星歷及時鐘修正參數(shù)等注入衛(wèi)星。
分布情況:
主控站:位于美國科羅拉多州(Calorado)的法爾孔(Falcon)空軍基地。
注入站:阿松森群島(Ascendion),大西洋;迭戈加西亞(Diego Garcia),印度洋;卡瓦加蘭(Kwajalein),東太平洋。
監(jiān)控站:1個與主控站在一起;3個與注入站在一起;另外一個在夏威夷(Hawaii),西太平洋。
用戶部分
GPS用戶設(shè)備部分包含GPS接收器及相關(guān)設(shè)備。GPS接收器主要由GPS芯片構(gòu)成。
如車載、船載GPS導(dǎo)航儀,內(nèi)置GPS功能的移動設(shè)備,GPS測繪設(shè)備等都屬于GPS用戶設(shè)備。
組成:主要為GPS接收器
作用:接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的設(shè)備,GPS系統(tǒng)的消費者。
GPS定位是目前最為精確、應(yīng)用最為廣泛的定位導(dǎo)航技術(shù),以后將會成為每一個移動設(shè)備的標(biāo)配之一?,F(xiàn)在的中高端只能手機,有相當(dāng)一部分已經(jīng)配備了GPS硬件。那么針對GPS定位的開發(fā)技術(shù)也將成為一項主流常規(guī)技術(shù)。本文目的在于讓準(zhǔn)備進行GPS定位開發(fā)的編程人員對于GPS有一個大致的了解,這對于編程可能沒有什么直接的幫助,但是我想了解一下GPS的大致工作原理,在編程過程中就能夠?qū)PS設(shè)備的工作特性有一個感性的認(rèn)識,這對于開發(fā)還是有很大間接好處的。
有沒有可以監(jiān)控老婆手機微信的軟件(有沒有可以監(jiān)控老婆手機微信)
版權(quán)說明:本文由用戶上傳,如有侵權(quán)請聯(lián)系刪除!
- 上一篇:微信朋友圈怎么自建位置(微信朋友圈怎么位置)
- 下一篇:最后一頁
猜你喜歡:
- 2022-06-10微信朋友圈怎么自建位置(微信朋友圈怎么位置)
- 2022-06-10微信朋友圈可以定位到外省嗎(微信朋友圈可以定位)
- 2022-06-10初中物理光學(xué)凸透鏡成像難題(初中物理凸透鏡成像規(guī)律實驗)
- 2022-06-10何亞娟(何亞娟)
- 2022-06-10u88.con,上的品牌加盟(可靠嗎?)
- 2022-06-10業(yè)務(wù)員網(wǎng)上怎么找客戶(業(yè)務(wù)員網(wǎng))
- 2022-06-10短篇小品推薦(短篇小品)
最新文章:
- 2022-06-10中國紅色旅游博覽會(中國紅色旅游)
- 2022-06-10白醋洗臉的正確美白方法視頻(白醋洗臉的正確美白方法教程)
- 2022-06-10微信朋友圈怎么自建位置(微信朋友圈怎么位置)
- 2022-06-10微信朋友圈可以定位到外省嗎(微信朋友圈可以定位)
- 2022-06-10推薦言情小說的編排
- 2022-06-10鎬庢牱鎶奵da杞崲鎴恗p3(怎樣將cda轉(zhuǎn)換成mp3格式)
- 2022-06-10蘇州綠葉日用品有限公司最新政策(蘇州綠葉日用品有限公司)
- 2022-06-10喜羊羊與灰太狼舊版完整版(喜羊羊與灰太狼全集530集下載到百度網(wǎng)盤種子或磁力鏈接也可以)
- 2022-06-10初中物理光學(xué)凸透鏡成像難題(初中物理凸透鏡成像規(guī)律實驗)
- 2022-06-10今日更新河北工程大學(xué)是幾本
- 2022-06-10今日更新長沙大學(xué)是幾本
- 2022-06-10今日更新jun是幾月
- 2022-06-10今日更新oct是幾月
- 2022-06-10何亞娟(何亞娟)
- 2022-06-10今日更新西安體育學(xué)院是幾本
- 熱點推薦
- 熱評文章
- 隨機文章
- 十大指甲刀品牌排行榜(剪指甲刀十大品牌排行榜)
- 上海浦東機場到杭州怎么坐(從上海浦東機場怎么到杭州)
- 北京教委王攀(王昱人 北京市教育委員會基教一處主任科員)
- 2012中的(男主角叫什么)
- hepa高效過濾器批發(fā)(HEPA高效過濾器)
- 建筑施工哪些機械不準(zhǔn)用(建筑施工機械有哪些)
- 我心飛翔簡譜孫悅(我心飛翔 孫悅演唱歌曲)
- 學(xué)生體質(zhì)健康數(shù)據(jù)上報工作量計算(怎樣順利進行學(xué)生體質(zhì)健康數(shù)據(jù)上報)
- 光標(biāo)自動移動怎么處理(光標(biāo)自己移動怎么處理)
- 玉環(huán)環(huán)山小學(xué)班級博客怎么發(fā)表文章?((沒有帳號) 怎么注冊倆 別回答不重要的)