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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(gè)芯片可以接收、處理GPS信號，并且輸出坐標(biāo)值，而各個(gè)應(yīng)用就是用這個(gè)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(jī)等等。
2.² 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(gè)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(shí)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(rèn)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(rèn)為都是∆ρ，這也是一個(gè)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(gè)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(jì)算其位置，然后把計(jì)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(shí)，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(jì)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(jì)時(shí)，有振蕩器產(chǎn)生一定頻率的無線電波；同時(shí)在你的GPS芯片上也有時(shí)鐘計(jì)時(shí)，并且也有振蕩器跟GPS衛(wèi)星同時(shí)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(shí)，就與芯片自身產(chǎn)生的信號做比對，得到信號傳播的時(shí)間差，再乘以光速就得到了距離。
一般來說GPS芯片上的時(shí)鐘是石英鐘，跟衛(wèi)星上的原子鐘不是一個(gè)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(gè)因素，叫做時(shí)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(jì)算的誤差可能多達(dá)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?yàn)椴ㄩL越短，計(jì)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(jī)用的是什么波長的，我還真沒仔細(xì)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(shí)間是要耗時(shí)的，比如智能手機(jī)有時(shí)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(jì)算是用衛(wèi)星信號與GPS芯片產(chǎn)生的同時(shí)、同頻率的信號偏差來，可是能比對的只是一個(gè)波長內(nèi)的信號偏差，在這個(gè)波長偏差之前你并不知道GPS信號已經(jīng)傳播了多少個(gè)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(jì)算距離，這個(gè)計(jì)算過程是GPS定位慢的主要耗時(shí)原因。
于此同時(shí)，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(shí)間連續(xù)衛(wèi)星信號分析才能計(jì)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(jì)算各種誤差參數(shù)，假如在100平方公里范圍內(nèi)，我們認(rèn)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(gè)GPS接收站，它的坐標(biāo)是已知的，通過長時(shí)間定位，計(jì)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(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速定位，這就是A-GPS的原理。
7. 如何提高定位精度？
因?yàn)榫嚯x相近的GPS芯片的各項(xiàng)誤差影響因素可以認(rèn)為是相同的，那么把幾個(gè)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(shí)間觀測，就能大大的提高定位精度，甚至可以達(dá)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(jī)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(shí)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(gè)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(gè)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(shí)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(gè)系統(tǒng)30多年了，一直免費(fèi)全球使用，的確很有戰(zhàn)略眼光，也很有經(jīng)濟(jì)頭腦。雖然這個(gè)系統(tǒng)投入巨大且全球免費(fèi)使用，但是因此帶來的經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略意義不用多說。另外，上面說了正因?yàn)镚PS定位靠的是無線信號的比對、計(jì)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(shí)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(shí)，美國隨時(shí)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。
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