卫星导航定位系统工作原理

卫星导航定位系统工作原理

——摘自“位置圈”网站

前言

以下是如何GPS工作的五个逻辑步骤：

1.全球定位系统的基础是三角测量

2.为了进行三角计算，GPS接收机利用电磁波电信号的传播时间计算距离。

3.为了测量电磁波信号传播时间，全球定位系统需要有非常精确的时间系统，设计者

们使用了一些技巧实现了这种设计。

4.除了距离，我们还需要知道卫星在太空中的位置。

5.最后，你必须修正信号通过大气层时引起的任何延迟。

我们将在接下来的5个章节中详细讲解以上每一点。

卫星导航定位系统工作原理知识导航

1.三角测量。

2.距离测量。

3.获取精确的时间。

4.卫星的位置。

5.误差改正。

1 三角测量

我们用的是“三角测量”这里很不严谨的，因为它是一个词大多数人可以理解，但是纯粹主

义者也不会要求什么全球定位系统是“三角测量”，因为没有涉及的角度。但这里的确是“三边”。利用三角形几何学知识可知，测边是确定对象相对位置的一种方法。

整个全球定位系统的构思是利用远在太空的卫星作为参考点为地球上的位置定位，它看起来上似乎是不可能的，但是它的的确确是正确的，通过我们非常、非常精确地测量出到三颗卫

星的距离，就可以计算出我们在地球上任何的位置。

我们的接收机是如何计算出这个距离的。我们将稍后讲解。首先考虑如何利用到三颗卫星的

距离准确的找到你的位置。

几何学上的创意：

步骤一：假设我们测量到我们到卫星的距离是11,000英里。我们可能的位置是一个是以这

个卫星为中心，半径为11,000英里球面上。

步骤二：下一步，我们假设测量出我们距第二颗卫星的距离为12,000英里。这告诉我们，我们不仅在第一球，我们也在以第二颗卫星中心半径为12,000英里的球面上。或者换句话说，我们的处在这两个球面相交的一个圆上。

步骤三：如果我们观测到第三颗卫星，并且测量到此卫星的距离为13,000英里，这样我们又缩小了我们位置的可能性——第三个球与第二步中产生的圆的交集将为两个点。这样，通过在太空中三颗卫星，我们可以将我们位置的可能性缩小到两点。

要决定哪一个是我们真正的位置，我们可以进行第四次测量。但通常这两个点之一是一个不

可能的答案（或者距离地球太远，或以不可能的速度在移动），所以可以不需要经过第四次测量即可判断我最终的点。

在下一节“距离测量”中，我们将看到系统如何测量到卫星的距离。

知识点：

1.通过测量到卫星距离计算位置。

2.数学上，我们需要求得到四个卫星的距离以确定确切位置。

3.如果我们拒绝荒谬的答案或使用其他手段，三个距离就已经足够了。

4.进行第四个距离的测量是出于了一个技术原因的考虑，需要以后加以讨论。

2 距离测量

我们看到在上一节中看到至少要利用3颗卫星才能计算出位置。

数学上的创意：

从某种意义上说，整个事情归结为那些“速度乘以时间等于距离”的数学问题，和我们在高中一样，比如：“如果一辆车以每小时60英里的速度行驶两小时，它旅行了多远？”

速度（60英里）x时间（2小时）=距离（120英里）

在全球定位系统重，我们衡量的是一个无线电信号，速度将是光的速度，或大约每秒186,000英里。问题的关键在于判断“旅行的时间”。时间是比较棘手的问题，我们需要精确的时钟来衡量卫星信号传播到接收器所花费的时间。

时间是比较棘手的问题，我们需要精确的时钟来衡量卫星信号传播到接收机所花费的时间。

首先，时间非常的短。如果卫星在头顶，传播的时间大约是0.06秒一样短暂的东西。因此，我们将需要一些真正精确的时钟。我们将很快谈论这些。

其次，假设我们有精确的时钟，我们怎么衡量的信号传播的时间呢？为了解释它，让我们使用一个愚蠢的比喻：

假设有一个办法让卫星和接收机在中午12时正准时同时播放“国歌”。如果声音可以从太

空传到我们这里（这当然是荒谬的），然后在接收机端，我们会听到两个版本的国歌：一个

从我们的接收机传过来和一个从卫星传过来。这两个版本是不同步的。从卫星传来的版本将会有一个小小的延迟，因为它不得不穿越超过11,000英里的距离。

如果我们想看看从卫星传来的版本究竟延迟了多长时间，我们可以先推迟接收机的版本，直到他们进入完美的同步播放。

我们回调接收机版本的时间是就等于卫星版本国歌传播的时间。所以，当我们用这个时间乘以光速时，OK，我们就得到了接收机到卫星的距离。

卫星和接收机使用的是一种叫做“伪随机码“的数据。这基本上是全球定位系统如何工作的。

知识点

1.测量到卫星的距离是通过测量无线电信号从卫星到达我们所用的时间获得的。

2.为了进行这样的测量我们假设：我们的卫星和接收器都在完全相同的时间产生相同的伪随机码。

3.通过比较到达接收器的卫星的伪随机码比接收器的数据码，我们就可以决定其达到我们所花费的

时间。

4.用光的速度乘以传播的时间即可得到距离。

备注：伪随机码——定义：结构可以预先确定，可重复产生和复制，具有某种随机序列随机特性的序列码。应用学科：航空科技（一级学科）；航空电子与机载计算机系统（二级学科）。

3 获取精确时间

如果衡量一个无线电信号的传播时间是GPS的关键，那么我们就可以使用我们的手表进行计

时了么，答案是不行的，因为如果即使他们的时间只是偏移了千分之一秒，以光的速度，就形成了近200英里的错误！

在卫星方面，时间几乎是精确的，因为他们有非常精确的原子钟上。

但是对于我们在地面上的接收机呢？无论如何请记住，无论是卫星和接收机必须精确同步的

伪随机码，才能保证系统的精确工作。如果我们的接收机需要原子钟（需要花费5万美元以上至10万），那么全球定位系统将是一个跛脚的技术。没有人能够负担得起。

幸运的是全球定位系统的设计者想出了一个经典的小把戏，让我们能够使用上有更精确的时

钟的接收机。得益于这一关键的技术，使得每个GPS接收机从本质上拥有了类似于原子时钟一样精确的时间系统。

秘密在于利用第四颗的卫星进行额外的距离测量。如果三个精确的测量可以确定一个三维空

间的点话，那么四个不精确的测量同样可以做到。这一观点对于GPS来说是如此重要，我们将有一个单独的说明部分，显示它是如何工作的工作。

额外的测量解决接收机时间的偏差

如果我们的接收机的时钟是精确的，那么我们所有的以卫星为中心接收机到卫星距离为半径

形成的球面将相交于一个点（这点就是我们的位置）。但如果不够精确的话，第四个测量，

作为一个交叉检查工作，将不会与前三个相交。因此，接收机的控制中心说：“嗯，哦！那里是我的测量误差。我不能精确同步通用时间。

因为任何时间偏移会影响我们所有的测量，所以所接收机在寻找一个与其有关的校正因子，

然后从所有的时间测量重减去它，从而使得他们都相交于一个点。

若还不理解，我们可以用数学的方式来解释：

假设卫星i的空间位置已知为（Xi、Yi、Zi），而接收机的空间位置是位置的为（X、Y、Z），接收机到卫星i的距离为Pi，由于接收机时间偏差引起的误差而引入的校正因子q。

由接收机到3颗卫星的距离可以得到三个方程，如下图

但是4个未知数（X、Y、Z、q）却只有三个方程，很明显无解，很直观的解决方法就是再加

入一个方程，校正因子的问题就迎刃而解了，这就是引用第四颗的原因

这样带来的效果就是使得接收机的时钟与通用时间得到了同步，恭喜——你获得了具有原子

钟精度的时间的接收机。一旦得到了这种校正因子，并将它应用到余下的所有的测量，我们将得到精确的定位。

这一原则带来一个后果：任何像样的GPS接收机必须有至少四个通道（channels），以便它可以同时进行进行四个距离测量。随着伪随机码作为时间同步的凭据，以及这额外的第四次测量的技巧让我们与通用时间得到了精确的同步的实现，我们已经得到的一切我们需要精确

衡量我们与在太空的卫星的距离的。但对于三角测量工作，我们不仅需要知道距离，我们还需要知道卫星确切的位置。

在下一节中我们将看到如何实现这一目标。

更多的关于这一节：

原子钟

原子钟的运行并不靠原子能。他们得到这样的名字是因为他们使用原子的特殊震荡作为节拍，这种形式的计时是人类有史以来做稳定最精确的参考

码相位VS载波相位 -全球定位系统

GPS授时

我们通常认为GPS是用来导航和定位的，但是事实上每个GPS接收机与通用时间同步，使得其成为了最广泛的精确时间源。这种应用开辟了一个超越定位的应用， GPS 用来同步电脑网络，校准

其他的导航系统，同步电影设备等等的时间

知识点：

1.准确的时间是衡量到卫星距离的关键

2.卫星时钟是准确的，因为他们装有原子钟

3.接收机时钟不必太准确，但是一个额外的卫星测距可以消除这样的不准确引起的误差。

备注：原子钟——定义1：采用原子能级跃迁吸收或发射一定频率的电磁波作为基本频率振荡源的精密计

时仪器。应用学科：测绘学（一级学科）；测绘仪器（二级学科）。定义2：利用某种原子的特定能级之间的量子跃迁原理工作的精确时间和频率标准。应用学科：天文学（一级学科）；天文仪器（二级学科）原子时钟——世界上最精确的时钟类型，设计根据原子里面的震动来测定时间。NIST-F1是美国的标准原子时钟，据说是如此的精确以致于在超过三千万年内不快也不慢一秒。原子时钟用来协调需要极端的

精密的系统，像是全球定位系统（GPS）导航和英特网。一组分布于世界许多地方的原子时钟联合起来用于建立协调全世界时（UTC）。像一般的时钟一样，原子时钟依照振动保持时间，这个振动是在二个实体之间的周期性的变化或运动或在一个单一实体的两个状态之间的变化或运动，振动是由能量的变化产生的。举

例来说，在一个钟摆驱动的时钟中，振动是钟摆（振荡器）的来回地运动。这种时钟依照钟摆的摇摆频率

保持时间，这个频率依赖于许多的变量将会或多或少精确。另一方面，原子时钟的精度依赖于引起振动的

原子将会总是在那按相同的频率振动的事实。在 1945 年，在哥伦比亚大学的一位物理学教授Isidor Rabi 基于他发展出的叫做原子束磁共振的东西提出原子震动可能用来保持时间。四年之后，国家标准局（现在

的国家标准和技术研究所）已经发展了一个使用氨分子的震动的原子时钟。NIST-F1，美国的现在标准，使

用铯原子；它和巴黎一个相似的原子时钟标准是曾经制造的最精确的时钟。第一个商业铯原时钟是由马萨

诸塞州的National Company公司制造的;频率电子公司，联邦电信系统（FTS）和惠普（HP）现在都在生产铯原子时钟。因为他们典型的比较大并且使用太多能量，所以原子时钟从来没有广泛地被用于消费者产品。然而，最近国家标准技术研究所发展了一个克服这些问题的原子时钟。这个新装置大约有米粒大小和，精确到 126 年误差在一秒之内，它可以很快在计算机芯片上被安装并且在消费者市场手持式装置像是收音机，GPS系统和移动电话中使用。

4 获取卫星位置

知道太空中的卫星在哪里？在前面的教程中，我们假设我们知道了GPS卫星的位置，所以我们可以利用它们作为参考点。但我们怎么知道他们在哪儿？毕竟他们是在距离地面大约为

11,000英里的太空中。这么高用作用么，卫星高有高的好处。

在11,000英里的太空对我们是有帮助的，因为是远在大气层之外，没有大气层的干扰。这

意味着它会根据非常简单的数学方式（轨道）运行。根据全球定位系统总体规划，空军已向

每颗GPS卫星注入了非常精确的轨道。

在地面上所有的GPS接收机都会包含卫星年历，这些年历会每时每刻告诉他们每颗卫星在天

空中的位置。基本轨道是相当准确的，但只是为了让轨道更加的精确，国防部不断的监测

GPS卫星，他们用非常精确的雷达来检查每颗卫星的确切高度，位置和速度。

他们的监测到的偏差的被称为“星历误差”，这些偏差是由来自月球和太阳的引力以及太阳

辐射对卫星的压力引起的。这些偏差通常很轻微，但如果你想非常准确，他们必须考虑。

将位置信息广播给用户

一旦美国国防部测量得到了卫星新的确切位置，他们将传递新的位置信息到卫星本身。然后该卫星将在广播时间信号的同时，广播这个修正的位置信息给用户。因此，一个GPS信号不仅仅包含了于计时伪随机码，它还包含具有导航信息的星历文件。

有了精确的时间和确切的卫星位置，你会认为我们可以进行精确的位置计算了。不是的，我们还会有一些麻烦。点击下一节，看发生了什么。

更多关于这一节：

全球定位系统总体规划：1994年3月第24颗Block II卫星发射成功代表了GPS星座的建设完成，4颗备用卫星将在不久的将来发射（当然现在已经完成）。卫星的轨道设计使得在地球上的任何一个地点能够观

测到至少5颗以上的卫星

知识点：

1.若要想使用卫星作为参考物进行距离测量，我们就必须知道他们精确的位置

2.GPS卫星的轨道是非常明确的

3.由国防部监测他们的轨道的微小变化

4.轨道的偏差信息将会被发送到GPS卫星，卫星再将这些信息将随着时间信号而广播给用户

5 误差改正

截至目前为止，我们一直在抽象的解释全球定位系统的计算方法，好像整个事情是在真空中发生。但在现实世界，有可能很多的事情发生影响到GPS信号，要使得该系统发挥最大的作用，一个良好的GPS接收机在解算位置时应需要考虑到各种可能的错误。这里就是已经得到了考虑的事。

与传播有关的误差

首先，我们在本教程中的基本假设之一是不完全正确的。我们一直在说，利用光速乘以电磁波信号的传播时间就可以计算出接收机到卫星的距离。但是，光速在真空中是恒定的，在我们的大气中呢？很明显，不是的。由于GPS信号穿过含有带电粒子的电离层，然后通过对流层中的水蒸汽时，它的速度将受到影响，这就产生了与由不精确的时钟引起的同样的

偏差。

有许多方法可以减少这种误差。一方面，我们可以预测研究在一个特定的时间里什么是典

型的延迟。这就是所谓的误差建模，这个有一定的帮助，但大气条件很少是典型。

另一种处理这些由大气诱发的偏差的方法是比较两个不同频率电磁波信号的相对速度。也就是我们经常说的双频接收机，这种“双频“测量是非常复杂的，必须具有先进的双频接收机。

当到达地面时，与GPS信号有关的问题并没有结束时，信号到达之前我们接收机可能会受到

阻碍的反射。这就是所谓的多路径误差和与在电视上看到的鬼影类似。良好的GPS接收机能够使用先进的多路径抑制技术，以尽量减少接收到这种反射的信号。

即使卫星是非常复杂的，设计者们必须考虑到系统中的一些微小小错误。他们使用的原子钟是非常，非常精确，但他们也并不完美。也可能会发生一分钟的偏差，而这些将转化为测量传播时间的误差。

而卫星的位置，即便是不断的监视，他们也不能每秒种都在更新卫星的位置。因此，微小的

位置或“星历”的误差可能在监测间隙产生。

与接收机有关的误差：与接收机有关的误差，为GPS性能的体现，也是GPS接收机所固有的误差，这些误差主要包括：

接收机钟差：如第三节获取精确时间所描述，利用四颗以上的卫星进行测量可以很好的解

决接收机钟差问题。

天线相位中心偏差和变化：GPS天线的几何中心与相位中心（由传入的电磁波信号形成）不

一致而形成的偏差，此偏差主要随信号的高度角的变化而变化，与信号传入的方位角关系较小。

不同信号通道间的信号延迟偏差：如果通道间的信号延迟偏差都相同时，可被钟差吸收。如果通道间的信号延迟偏差都不相同时，将影响定位精度，以及电离层折射影响的确定。

人为的故意误差！

很难相信，同样也是政府，却故意降低了花费了120亿美元建成的世界上最准确的导航系统

的精度。这项政策被称为“Selective Availability选择可用性”或“SA”政策，该政策的目的是确保不让任何敌对势力或恐怖集团用GPS制造精确的武器。

国防部将一些“噪音”引入卫星时钟数据，这反过来，这些噪声（或误差）将影响到位置的

计算。美国国防部也可能发送轻微轨道数据误差到卫星。

这些因素使得SA变成了定位系统最大误差的唯一来源。军事接收机采用了解密密钥，以消

除在SA错误，因此他们更准确。

SA政策的取消

2000年5月1日，白宫宣布了一项决定，从午夜开始停止人为的GPS信号误差。全球定位

系统的民用用户现在可以得到较之前的系统多达10倍的定位精度，定位更准。作为1996年总统决定的GPS指令目标的一部分，克林顿总统承诺到2006年中止使用的SA。这一宣布是未来6年的时间表。停止SA的决定是基于一个最新的测量技术的持续的努力，使全球定

位系统能够满足更多的民用和商业用户。

结语

幸运的是，这些错误都加起来还不到人为的一个错误了。被称为“差分全球定位系统”的技术可以大大减少这些问题。我们稍后将讨论这一技术。

想获得一个典型的误差的影响列表，请点击这里误差预估。

更多关于这一节：

电离层：

电离层是距离地面50-500km处的大气层，它主要由带电的粒子组成，这些带点的粒子对GPS信号

有扰动作用！尽管可以通过数学建模消除一定的误差，但是它仍然是重要的误差来源之一

对流层：

对流层是地球大气层靠近地面的一层。它同时是地球大气层里密度最高的一层，它蕴含了整个大

气层约75%的质量，以及几乎所有的水蒸气及气溶胶。大气层的温度和压力变化很大，尽管看起

来很混乱，但是引起的相对误差很小

误差建模：

大多数的信号通过大气层时引起的延迟时可以预测的，大气的数学模型中考虑到了带电粒子的电

离层和对流层的不同气体的含量。最重要的是，这些卫星不断传送更新最基本电离层模型。GPS 接收器必须考虑每一个信号在进入大气层的角度，因为这决定通过大气层的行程长度。

双频测量：

物理学中讲到，光通过一个特定的介质时，低频信号受到的“折射”较高频信号受到的“折射”

大，通过比较GPS信号中不同频率的载波L1与L2受到的延迟，我们就可以推断出大气是什么样

的介质成分，然后我们就可以纠正它。

多路径误差：

全球定位系统依赖的思想是一个GPS卫星信号直接从卫星到接收机。但不幸的是，在现实世界的

信号也将受到周围的一切的反弹然后再到达接收机。其结果是在接收到直接的信号后，大量的经

反射的信号也到达接收机，这将创建一个混乱的信号。如果反射的信号足够强大，他们会混淆GPS 接收机并导致错误的测量。先进的GPS接收器使用各种信号处理技术，以确保他们只考虑最早到

达的信号（这是直接的）

星历误差Ephemeris Errors：

星历（或轨道）数据在不断被卫星传送给GPS接收机。GPS接收机会保存这些卫星的“年历数据”，当有新的数据时他们会自动更新，通常情况下，星历数据是每小时更新一次

全球定位系统的误差源概要

以米为单位的典型误差(每颗卫

标准GPS 差分GPS

星)

卫星钟差 1.5 0

轨道误差 2.5 0

电离层 5.0 0.4

对流层0.5 0.2

接收机噪声0.3 0.3

多路径效应0.6 0.6

知识点：

1.准确的时间是衡量到卫星距离的关键

2.卫星时钟是准确的，因为他们装有原子钟

3.接收机时钟不必太准确，但是一个额外的卫星测距可以消除这样的不准确引起的误差。