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GPS原理介绍

发布时间:2012/12/20 11:46:26

手机定位功能正越来越成为手机的重要卖点,但手机定位的实现原理却鲜为人知,百度搜索的结果也令人失望(单一个“基站”就让人不明所指)。我经过认真研究和实践总结,整理了这篇文章

,当然,定位原理是专家们的成果,但专家们喜欢用公式说话,能将专家的研究成果说的通俗易懂、不出错误的,或许只有我吧(呵呵,有点吹了)。下面进入正题。

目前手机上被广泛使用的移动定位技术有三种:基于网络的小区识别定位、集成GPS定位和A-GPS定位。

一、基于网络

        即小区识别定位技术。GSM移动通信网络是由许多像蜂窝一样的小区构成的,每个小区都有自己的编号,由于手机通讯遵循蜂窝技术规范,因此只要手机不是离线模式,手机位于哪个小区就很容

易知道,这种定位精度取决于移动终端所处蜂窝小区半径的大小,从几百米到几十公里不等,与其它技术相比,该技术精度最低,而且还会收取一定的月功能使用费。

二、集成GPS

       即美国go-vern-ment提供的全球定位系统。24颗GPS卫星分布在6个道平面上,距离地面1万2千公里,以12小时的周期环绕地球运行,使得任意时刻地面上任意点都可以观测到4颗以上的卫星。集

成GPS定位需要手机内置GPS模块,但该模块只有接收功能,没有发射功能。24颗GPS卫星不断向地球发射着包含时间、卫星点位等重要参数的信息,被我们的手机收到后,手机会利用多个卫星的同一时间

发出的信号到达的先后顺序及时差计算出手机到各个卫星的距离,然后利用三维坐标中的距离公式,利用3颗卫星组成3个方程式,解算出手机的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星时钟与手机时钟之间的误差,实

际上有4个未知数,X、Y、Z和钟差,因而需要引入第4颗卫星,形成4个方程式进行求解,从而得到手机的经纬度和高程。事实上,手机往往可以锁住4颗以上的卫星,这时,手机可按卫星的星座分布分成

若干组,每组4颗,然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位。

三、辅助GPS

即Assist GPS,简称A-GPS,是网络辅助的全球定位系统,这种方法实际就是"小区识别定位 + 集成GPS定位 + 远端数据计算 + GPRS信息传输"。 辅助GPS定位需要移动运营商提供其移动通信信号塔的

GPS位置,并在移动网络上加建位置服务器,还需要在地面建设GPS基准站(用于实时观测卫星并向定位服务器提供全球实时星历数据)。

       辅助GPS定位过程如下:

1、手机将距离最近的移动通信信号塔的GPS位置通过网络传输到位置服务器;
2、位置服务器(由GPS基准站提供全球即时星历数据)根据移动通信信号塔的GPS位置传输该信号塔(近似手机位置)当前上空的GPS星历信息到手机,这些信息将暂时保存在手机内存的特定位置(星历缓存)


3、手机从星历缓存读取数据并接收指定几颗卫星的信号(省去了繁重的信号接收、数据计算和筛选最优卫星分组等工作);
4、手机接收到指定几颗卫星的信号后,参考星历缓存中的位置信息(主要是仰角)校核计算出手机当前的位置,然后在屏幕上显示出来(警告:如果此时上空没有指定卫星信号(比如手机位于室内),则会

从第1步往下重复,请小心你的流量);
5、手机随时间的变化(时间变化造成卫星偏移)和位置的移动(位置移动造成仰角改变)自动选择卫星,实时刷新星历缓存;
6、手机重复第3、第4和第5步骤。
7、其他重要环节的说明:①. 如果手机有过一次成功定位,那么手机内存中就会有一个星历缓存,其中保存着上次的定位信息,退出定位软件也不会丢失,但一关机就没了。②. 每次启动GPS后,模块

首先读取星历缓存,然后尝试上次定位的卫星信号,接着会有两种情况:a. 如果存在上次定位的卫星信号,则会立刻定位,屏幕不出现连网提示符,这就是为什么相对上次定位时间间隔和位置移动不大

时一打开定位软件就能定位的原因;b. 如果不存在上次定位的卫星信号,则星历缓存失效,手机从第1步开始重做所有步骤,屏幕出现连网提示符。

四、手机GPS模块概述

     (一)GPS模块由信号接收硬件和数据处理软件两部分组成。数据处理软件是固化在主板芯片中的,跟电脑的BIOS一样,介于软件与硬件之间,说它软是因为通过特殊设备可以刷写它,说它硬是因

为一般用户根本动不了它。A-GPS与纯GPS的不同之处,就是A-GPS比纯GPS在数据处理软件上多了一段联网获取辅助数据的程序。

GPS的工作过程概括如下(3、4部分为A-GPS的特色任务,设置中不勾选A-GPS或者由星历缓存锁定卫星成功后将不被执行):

1、读取手机内存中的星历缓存(上次的定位信息);
2、锁定卫星并接收信号;
3、调用移动通讯网络将当前通讯基站的GPS位置发送给专业定位服务器;
4、接收专业定位服务器发来的当前通讯基站当前上空的GPS星云数据并写入手机内存中的星历缓存;
5、校核仰角并计算显示;
6、自主选星并刷新缓存(退出定位也不会丢失);
7、重复第1、2、5、6步骤。

      (二)修改系统参数(实际是服务器地址)的方法能提高gps定位速度实际是提高A-GPS定位速度,只是把国外的服务器换成中国服务器而已,实际并不能提高单纯用gps定位的速度,gps定位的速

度排除位置原因导致的卫星信号强度变化外,实际只和天线的接受能力以及芯片的处理能力有关,必须注意的是,GPS模块的数据处理软件部分位于专门的芯片中,并不在系统ROM中,因此通过DIY固件的

方法也无法修改

        看了这些,我想大家不要纠结于什么rom定位快,什么rom定位慢的问题了,就算是速度上有影响,也是关于AGPS服务器地址的设置不同,如果不开辅助定位的话,理论上,同一位置冷启动定位

速度相同,当然,卫星信号在传播过程中受到的影响很多,卫星的位置、大气密度、空气质量、电离层反射、折射、衍射等等都会对无线电波的传播产生影响,所以在相同地点不同时间定位速度也不可

能相同。
       另外就是有些同学说过的秒定,这个现象我也能做到,深入的我没有研究过,但是和我用的其他系统的手机比较,我感觉这个情况应该是导航软件或者安卓系统对gps所做的一个优化设计,和热

启动的原理差不多,如果是距离上次距离很远,定位时间间隔比较长,并且期间gps一直没有打开,关闭网络辅助的情况下(真正的冷启动),定位能在1分钟之内完成就很值得庆幸了。
       另外就是D2G这个手机本身情况也不同,就像有的同学手机信号好,不跳水,有的重启有的不重启一样,对于gps信号的接收能力各个机器也可能不同,所以定位表现也不同,这个帖子的目的就是

让大家了解一下原理,真正能不能起到提高的作用,我没有办法,毕竟这个手机还不是专业的gps接收机也不是专业的导航手机,表现的再好也是有限度的。
       最后就是关于D2G的定位表现,从我的手机上看,接收信号能力和搜星能力都还不错,但是对于信号要求稍微高一点,经常是很快能搜到4颗以上的卫星,但是信号强度都达不到定位的阀值要求,

要等一会才行。关闭gps,地点移动不大,间隔时间不长的情况下,热启动基本能做到秒定。总体上和我另外一部WM系统的garmin-asus M10的gps比稍有差距,但是作为一个非专业gps手机来讲不错了。

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