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心中有数 简述GPS导航设备的定位原理

http://www.sina.com.cn 2007年02月27日 06:05 中关村在线

  作者:毛晓曼

  对于GPS,我们总是谈及色变——多么高深的技术啊。或许你正打算购买这样一款设备,又或者你已经是它的忠实fans,如果不通晓一些定位原理多少显得有些遗憾。虽然这套系统结构复杂,原理也囊括很多方面的知识,不过只讲些皮毛上的东西理解起来并不困难。

  利用“三点”确定位置

  举个例子说吧,已知一个星巴克的位置和一个肯德基的所在,告诉你必胜客离星巴克300米、肯德基离它400米。那么你可否知道要找的必胜客餐厅的位置?

  于是,我会搜索300米以及400米处的餐厅,找出它们的交汇点,于是确定要去的位置。其实,根本不用去想上学的时候所学的什么如何才能确定一个三角形的那些理论,单是靠我们对生活中事物的理解多少也能体会些“定点”的奥秘。

  卫星定位也是一样的道理,只不过三维空间的计算远比二维要复杂的多,因而至少需要知道三颗卫星的位置,利用“三点”进行定位计算。而且由于地球是个不规则的椭圆体,其表面形态也极为不规则,因为还需要配合一些简单的地理只是,排除掉不合理的位置,从而确定我们的实际位置。

  卫星位置怎样确定?

  要确知卫星所处的准确位置。首先,要通过深思熟虑,优化设计卫星运行轨道,而且,要由监测站通过各种手段,连续不断监测卫星的运行状态,适时发送控制指令,使卫星保持在正确的运行轨道。将正确的运行轨迹编成星历,注入卫星,且经由卫星发送给GPS接收机。正确接收每个卫星的星历,就可确知卫星的准确位置。

  这个问题解决了,接下来就要解决准确测定我们到卫星的距离。卫星是远在地球上层空间,又是处在运动之中,我们不可能象在地上量东西那样用尺子来量,那么又是如何来做的呢?

  距离如何成为已知?

  刚刚说到,我们将距离当作已知,而这项数据是从何而知的呢?只是一个再简单不过的数学公式而已:时间×速度=距离。这里的速度也很容易找到定值,我们从物理学中知道,电传播的速度是每秒钟三十万公里,所以要想知道距离也就意味着只需坐着数准时间了。

  精确的时间该如何确定?

  每秒三十万公里的传播速度,也就等于说万分之一秒的误差会带来30公里的误差!于是精确的时间是精准定位的必然因素。

  要准确测定信号传播时间,要解决两方面的问题。一个是时间基准问题。就是说要有一个精确的时钟。就好比我们日常量一张桌子的长度,要用一把尺子。假如尺子本身就不标准,那量出来的长度就不准。另一个就是要解决测量的方法问题。

  要想做到百米以内的定位误差,首先时间误差要保持在3×10-6秒以内,这还是在其他误差因素都不考虑时最宽泛的估计。可想而知其精细程度,于是利用的技术也相当的多,我们只有知道定位准先要时间准也就够了。

  影响GPS技术的三种误差

  在GPS定位过程中,存在三部分误差:

  一. 是对每一个用户接收机所共有的,例如:卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等;

  二. 不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差;

  三. 各用户接收机所固有的误差,例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。

  利用差分技术第一部分误差可完全消除,第二部分误差大部分可以消除,这和基准接收机至用户接收机的距离有关。第三部分误差则无法消除,只能靠提高GPS接收机本身的技术指标。对美国SA政策带来的误差,实质上它是人为地增大前两部分误差,所以差分技术也相应克服SA政策带来的影响。 

  差分技术又是何物?

  上面提到了差分技术,其实也并不复杂。如果我们知道车子往右偏了,那么谁都知道稍稍的向左调整一些。差分技术也是同样的道理。

  电离层、对流层的影响不是会产生误差吗?我们首先确定一些已知点的信息,如果已知点和被测点距离足够近,那么可以认为它们受到的那些影响基本是相似的。这样,计算过程中将它作为参照,来确定应该将GPS计算的结果“左调”还是“右调”一些,从而得出更精确的定位。

  最后总结一下以上理论,可知GPS定位其实分为四步:

  第一步:确定时间基准,并记录准确时间(光从卫星到被测点的时间);

  第二步:算出卫星-被测点间距离;

  第三步:利用“三点”定位;

  第四步:数据修正。

  再来看GPS定位,是不是有种不过如此的感觉?毕竟我们只是浅谈它的原理嘛,实际上卫星定位的原理是一个相当庞大的理论体系,但是作为关注者,或者使用者知道这些也就足够了吧。想象懂了之后再用手里的GPS,会不会也别有滋味呢?不妨赶快体验一把。

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