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手机怎么知道你的定位?导航的原理是什么?

中国黑客网 1个月前 ( 05-23 ) 159
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端午假期,许多同学出门游玩的时候会使用手机代替导航仪进行导航。手机不光可以告诉我们自己的位置,还能帮助我们指引道路,提示拥堵等。

小小的一个手机如何知道我们的位置呢?其实,手机是通过与卫星联络,获知自身位置的。所以手机定位,准确的说法应该是卫星定位。

一、四大卫星定位系统

目前,世界上应用最广泛的定位系统是美国的全球卫星定位系统GPS。这是美国军方从1970年开始研制建立的卫星定位系统,在1994年建成,由24颗卫星、一个地面主控站和若干个监测站组成,覆盖全球98%的地区。用户只要有一台GPS接收设备,就可以24小时免费享受定位系统提供的定位授时等服务。

除了美国的GPS系统外,主流的卫星定位系统还有俄罗斯的格洛纳斯卫星定位系统(GLONASS)和欧盟的伽利略卫星定位系统(GALILEO)。如今,我国已经建设完成了北斗卫星导航系统(BDS),并于2020年7月31日举行了北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式。

这些定位系统的功能都是相似的,可以为用户提供授时、定位和导航功能。在军事上,定位系统可以为车辆、船舶、飞机和导弹武器等提供准确的定位导航服务,一个国家是否有优质的导航系统直接影响着这个国家的远程作战能力。

二、卫星定位原理

那么,卫星究竟是如何确定我们的位置的呢?

为了了解这个问题,首先需要了解坐标系的概念。法国学者笛卡尔发明了解析几何学,就是用代数方法来解决几何问题。我们可以在平面建立一个直角坐标系,这样平面内的任何一点都可以用一对坐标(x,y)表示。x和y分别表示两点的横坐标和纵坐标。根据勾股定理,两点之间的距离可以表示为

平面直角坐标系中两点的距离

同样,为了表示空间中的一个点,我们需要建立空间直角坐标系,每一个点用坐标(x,y,z)表示。两个点(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)之间的距离可以通过两次勾股定理得到

空间直角坐标系中两点的距离

明白了空间中两点距离的计算方法,就不难理解卫星定位了。一个卫星接收装置,例如一台手机,需要确定四个量才能定位,就是它的空间坐标(x,y,z)以及它此刻的时刻t。手机自己都不清楚这四个量,但卫星上有高精度的原子钟,同时卫星系统和地面站都有星历,卫星每时每刻都能够准确确定自己的空间坐标和时刻。

当我们需要进行定位时,手机会与卫星进行沟通,例如某卫星可以在某时刻发射一组信号给手机,信号里包含了此时卫星的空间坐标和时刻(x1,y1,z1,t1),当手机接收到这个信号时,手机的空间坐标和时刻(x,y,z,t)都是未知的。

不过,我们知道电磁波信号是以光速

传播的,如果信号在t1发出,又在t时刻被手机接收到,那么光传播的时间就是t-t1,传播的距离d1=c(t-t1)。同时,我们利用刚才的知识可以知道:手机(x,y,z)和卫星(x1,y1,z1)之间的距离可以表示成

于是我们就可以列出方程:

这个方程中,x、y、z、t都是未知量,四个未知量只有一个方程是解决不了的。不过没关系,手机可以同时与四颗卫星联络,四颗卫星分别发射信号给手机,这样就可以列出四个方程了。

其中(xi,yi,zi,ti)是第i颗卫星的空间坐标和时刻,是已知的。这样根据这四个方程,手机中的定位芯片就可以计算出自己现在的位置(x,y,z)和时刻t。再加上手机上已经储存的地图信息,就可以显示出我们的位置了。

所以说,一个GPS接收器最少要联络上四颗卫星,才可以定位自己的位置。联络的卫星越多,测量结果就越准确。

三、误差修正

在卫星定位的过程中,最麻烦的事情是误差修正。误差来源有卫星误差、传播误差和接收装置误差三种。以传播误差为例:在电磁波信号传播的过程中,电磁波要穿透云层,而云层中光的速度与真空中稍有不同。虽然这个差别不大,但是由于光速很快,传播时间很短,一点点的差别都会造成定位的范围有很大误差。所以我们必须对误差进行修正。

一种常见的误差修正手段称为差分定位,它的原理是:卫星首先与定位装置附近的地面定位站进行联系,通过地面定位站的坐标和时刻判断误差大小。再利用这个值对手机定位进行修正。

所以,在地面基准站附近,卫星定位比较准确,比如城市里卫星定位的精度都在10米以内,但如果在荒郊野外或大海上,附近没有基准站,卫星定位的误差就会大一些。

现在你明白手机定位的原理了,原来我们是在和天上的卫星连线呢!


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