GPS介绍(一)—基本工作原理

~ 全球定位系统(GPS)是“授时、测距导航系统

全球定位系统(GPS)是一种由美国国防部于1973年组织研制的全球导航与定位系统，主要为军事导航与定位服务。历时20年，耗资300亿美元，于1993年建成。GPS利用卫星发射的无线电信号进行导航定位，具备全球性、全天候、高精度、快速实时三维导航、定位、测速和授时功能，以及良好的保密性和抗干扰性。它已成为美国导航技术现代化的重要标志，被誉为本世纪继阿波罗登月、航天飞机之后的又一重大航天技术。

GPS系统在全球卫星定位系统中占据重要地位，与中国的北斗卫星导航系统（BDS）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（GNSS）和欧盟的伽利略卫星导航系统（GSNS）并称为四大卫星定位系统。

在自动驾驶领域，GPS和北斗的高精度定位涉及到五个关键因素：GPS和北斗卫星、高精度地图、全疆域通讯网络覆盖、定位基站以及移动端接收机。目前，GPS和北斗定位配合高精度地图，是自动驾驶发展的主要方向。高精地图相当于人类大脑中的路线记忆，北斗和GPS定位相当于人类对空间位置和时间的感知。通过结合两者，可以准确地判断去向和路径。

本文将科普介绍卫星定位系统的基本工作原理。

GPS的定位原理基于三角定位法。简单来说，通过在不同位置测量卫星与接收器之间的距离，即可确定接收器的位置。具体来说，如果仅有一颗卫星测出距离，则接收器位置可位于红圈内任意一点；如果有两颗卫星提供距离信息，则接收器位置可位于红、蓝两个圆的交点之一（P或X）；当有三颗卫星的距离信息时，即可锁定接收器的具体位置（P）。

GPS系统通过测量卫星到接收机的“到达时间差”（时延）进行测距。GPS卫星连续发送带有时间和位置信息的无线电信号。由于传输距离的影响，接收机接收到信号的时间晚于卫星发送信号的时间，即“时延”。接收机与卫星同时产生伪随机码，实现时间同步后，即可测量时延，进而通过光速计算距离。这一原理通过下图直观展示。

GPS接收机通过测量已知位置卫星到用户接收机之间的距离，结合多颗卫星的数据，即可确定接收机的具体位置。在接收1颗卫星信号时，接收机可更新时和日期；至少需要4颗卫星才能获得经纬度和高度信息。

GPS接收机通过卫星信息（星历、精确的空间坐标和时间）进行定位与授时。卫星发送星历数据至GPS接收机，接收机通过计算坐标与时间，进而计算与卫星之间的距离。通过光速计算距离，定位精度更高。GPS接收机至少需要4颗卫星才能确定空间坐标和时间坐标。

疑问解答：为什么需要4颗卫星进行定位，而不是3颗？使用3颗卫星可以计算出位置，但误差较大；4颗卫星可以解决时间差问题，提高定位精度。时间误差会影响位置坐标计算，导致定位不准确。通过引入第四颗卫星校正计时误差，可以提高定位精度。

接收机位置的高度是通过已知卫星高度与接收机与卫星在同一水平面上的关系计算得出。卫星高度通常已知（如GPS卫星离地面约2万公里），通过计算接收机与地球表面的垂直距离，即可确认接收机离地面的高度。

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