上次看到一文章講“GPS是怎么知道你在哪里的?”，從個人專業(yè)角度看，講得比較模糊，沒有真正回答GPS怎么定位的，因此另寫文章解釋一下。但是我不打算講得很細，只是在原理上做解釋。不做GPS很久了，有些細節(jié)和數(shù)據(jù)可能不準(zhǔn)確，請諒解。

　　1. GPS是怎么定位的

　　GPS的定位是靠GPS接收芯片來定位的，這個芯片可以接收、處理GPS信號，并且輸出坐標(biāo)值，而各個應(yīng)用就是用這個坐標(biāo)值在地圖上標(biāo)志你的位置的。GPS芯片可以內(nèi)置在各種設(shè)備中，包括專用GPS定位儀、汽車、智能手機等等。

　　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

　　也就是說理論上只要3顆衛(wèi)星就能夠定位了。

　　但是事實上，衛(wèi)星到你的位置的距離是很難準(zhǔn)確獲取的，它受到無線信號傳播的各種誤差影響，比如電離層、對流層以及GPS其他誤差影響。但是我們可以認為不同衛(wèi)星的這些誤差對你的影響是一樣的，我們把所有這些改正和誤差認為都是∆ρ，這也是一個未知數(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)然觀測的衛(wèi)星書越多，就可以分解開，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站持續(xù)觀測，計算其位置，然后把計算后的位置發(fā)送到GPS衛(wèi)星，然后再由GPS衛(wèi)星通過無線電波廣播給全球。

　　這就要求地面上有主控站、觀測站、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，尤其是觀測站，這需要全球的部署能力，這也是為什么美國有天然做GPS衛(wèi)星布設(shè)能力的原因，其他國家很難在全局布局。

　　同時，GPS衛(wèi)星的軌道在距離地面2萬公里的同步軌道，衛(wèi)星位置比較固定，并且軌道近似圓形，這也便于觀測站確定衛(wèi)星的位置。

　　4. 如何計算衛(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)星上有原子鐘來計時，有振蕩器產(chǎn)生一定頻率的無線電波;同時在你的GPS芯片上也有時鐘計時，并且也有振蕩器跟GPS衛(wèi)星同時產(chǎn)生同樣頻率的無線電信號，當(dāng)GPS芯片接受到衛(wèi)星傳來的無線電信號時，就與芯片自身產(chǎn)生的信號做比對，得到信號傳播的時間差，再乘以光速就得到了距離。

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

　　GPS發(fā)出的信號頻度不止一種，有300米波長的，也有20厘米左右波長的信號，這就意味著距離計算的誤差可能多達300米，也可能誤差有20厘米。那么是不是波長越短越好呢?這不一定，因為波長越短，計算復(fù)雜度越高，對設(shè)備要求越高，看用途而已。一般智能手機用的是什么波長的，我還真沒仔細研究，不清楚。

　　5. 為什么GPS不能立即定位?

　　大家都知道GPS芯片的定位時間是要耗時的，比如智能手機有時需要幾分鐘才能定位，為什么這么慢呢?上面說了，GPS的距離計算是用衛(wèi)星信號與 GPS芯片產(chǎn)生的同時、同頻率的信號偏差來，可是能比對的只是一個波長內(nèi)的信號偏差，在這個波長偏差之前你并不知道GPS信號已經(jīng)傳播了多少個完整波長，必須要通過連續(xù)的衛(wèi)星信號分析，才能確定出衛(wèi)星信號傳播的準(zhǔn)確波長數(shù)目，從而精確計算距離，這個計算過程是GPS定位慢的主要耗時原因。

　　于此同時，GPS信號在電離層、對流層、鐘差等等大量可能的誤差，也都是當(dāng)成未知數(shù)通過長時間連續(xù)衛(wèi)星信號分析才能計算出來，這也是GPS定位慢的重要原因。

　　6. 如何來加速GPS定位?

　　上面說了，GPS定位慢的原因是在計算各種誤差參數(shù)，假如在100平方公里范圍內(nèi)，我們認為各種誤差參數(shù)和大部分的信號傳播整周是一樣的，那么我們在地面上建立一個GPS接收站，它的坐標(biāo)是已知的，通過長時間定位，計算出這些參數(shù)，然后把這些參數(shù)發(fā)送給周圍的GPS芯片，這些GPS芯片就大大節(jié)省了結(jié)算時間，實現(xiàn)快速定位，這就是A-GPS的原理。

　　7. 如何提高定位精度?

　　因為距離相近的GPS芯片的各項誤差影響因素可以認為是相同的，那么把幾個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。再通過長時間觀測，就能大大的提高定位精度，甚至可以達到毫米級，不過這一般用在測繪等專業(yè)領(lǐng)域。

　　我們一般智能手機用的定位精度是15米左右級別的，它的定位精度提高一般不用差分方法，而是采用應(yīng)用策略來提高。比如說，在北京的道路上，道路之間的距離肯定會大于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)不止美國的GPS一家，歐洲的伽利略系統(tǒng)、俄羅斯的Glonass系統(tǒng)、中國的北斗系統(tǒng)都已經(jīng)具備類似的定位能力。如果定位芯片能夠整合多個定位系統(tǒng)也是可以提高定位精度和速度的，比如說最新的小米2就支持GPS和Glonass定位。

　　其他提高定位精度的方法，比如觀測衛(wèi)星的選取等，這些比較專業(yè)，不說它了，我也說不清楚。

　　9. 為何中國要建設(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2萬公里的同步軌道相對均勻的布設(shè)。GPS系統(tǒng)不僅是衛(wèi)星群，還包括1個主控站，在幾大洲都有注入站。給衛(wèi)星注入各種數(shù)據(jù)，同時在全球還有密布不少觀測站來觀測衛(wèi)星坐標(biāo)、狀態(tài)等。

　　美國已經(jīng)發(fā)布這個系統(tǒng)30多年了，一直免費全球使用，的確很有戰(zhàn)略眼光，也很有經(jīng)濟頭腦。雖然這個系統(tǒng)投入巨大且全球免費使用，但是因此帶來的經(jīng)濟和戰(zhàn)略意義不用多說。另外，上面說了正因為GPS定位靠的是無線信號的比對、計算，因此美國是可能干擾信號的，也就是說能夠降低別人的定位精度，而自己的定位精度高。事實上美國也是這么干的，一直到了98年左右才取消了干擾。但是在戰(zhàn)時，美國隨時可以恢復(fù)干擾，這也是為什么歐洲、俄羅斯、中國都要建自己的定位系統(tǒng)的原因。