北斗卫星基础教学（超能课堂163）

最近有网友在问，手机上的GPS、北斗定位是一个怎么样的原理，为什么地面上这么多设备只靠天上二十来个卫星就能实现准确定位，这么多定位请求能处理得完吗？这就涉及到全球卫星定位的原理啦，今天超能课堂就为大家讲一讲其中的奥妙。

目前在天上运行的全球卫星定位系统有很多个，例如最早美国人发明的GPS，中国的北斗、欧盟的伽利略、俄罗斯的格洛纳斯、日本的准天顶，它们都是目前可以商用的全球卫星定位系统。尽管它们提供的功能可能有所差别，比如中国北斗卫星系统提供了短信服务，但在卫星定位上，它们的本质原理都是共通的。

首先现在的全球卫星其实都是无源的，所谓的无源，那就是天上的卫星并不是实时追踪你的手机位置，然后告诉你在哪里。因为在进行定位的时候，卫星通信是单向的，手机只能被动接收来自卫星的信息，而不能与卫星进行交流。因此全球卫星导航所支持设备是没有上限的，因为它不像基站需要双向通信，只是充当一个“大喇叭”，广播信息而已。

因此天上每一颗定位卫星都在干一件事情，每时每刻都在不停地向地广播信息，信息内容也很简单，就是现在几点了（t₀），我在哪里了（x₀，y₀，z₀），就这四个要素。那么手机SoC上集成的卫星信号接收器就能通过天线获取到这部分信号内容。

电磁波在大气中的传播速度约等于光速c，那么卫星发出的信息经过若干秒后被手机接收，设接收时间为t，那么信息就在空中传播了t-t₀秒，那么我们就可以算出卫星当前时刻与我们的手机距离S。

用小学知识就知道距离=速度×时间：

只知道距离是没有用的，因为我们还没有得知具体方位参数，这时候就利用上卫星发给我们的坐标信号（x₀，y₀，z₀）。想象一下，将手机与卫星置身于三维坐标系中，手机在顶点A（x，y，z）上，卫星在顶点B（x₀，y₀，z₀），那么是如何计算点A到点B的距离呢？

初中数学知识告诉我们，算起来很简单嘛，用下面公式计算就可以得出结果了。

两者相等s=s₀，就可以得到一个新方程：

里面有(x,y,z)三个未知数，是三元一次方程，单靠1个方程式解不出来，那只要有3个这样的方程应该就能解出来？是不是只要同一时间锁定三个卫星，得到它们的广播的数据就能确定手机的位置呢？

理论上确实是这样的，但精度上差别非常大。这是因为我们手机的时钟信号并不可靠，精度远远不如卫星上所使用的时钟信号，由于光的传播速度每秒高达300000km，一丁点时间误差都会出现“失之毫厘谬以千里”的问题，因此会在定位系统中引入一个钟差的概念。

方程的改进就是将前面求得距离减去因钟差带来的误差C×(V_ti—V_t0)，这样就可以实现更精确的定位了。这个钟差是未知的，所以为了确定钟差，卫星定位实际上是需要同时锁定4颗卫星。（V_ti(i=0、1、2、3)分别为卫星0、卫星1、卫星2、卫星3的卫星钟钟差，由卫星星历提供，已知；V_to为接收机的钟差）

这就是为什么我们手机需要同时接收天上四颗卫星信号的原因，有了四个卫星提供的信息，就能够组合出4个四元一次方程组，就可以解出手机坐标（x，y，z）以及接收机的钟差V_to了吗？

这就完成了卫星定位最基本、最浅显的原理，以上都是在非常理想的状态下得出的，实际上还要复杂、考虑的更多，实际在各大全球卫星定位系统中都存在误差问题，卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，一个极小的误差都会被放大很多倍从而导致整个定位无效，因此出现了很多修正误差的方法：

比如说前面提及的钟差问题以及卫星绝对位置，卫星的位置是由每个国家的专门机构进行维护，定期将推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等信息通过注入站写入卫星存储系统，因此位置准确度可以达到厘米级别。同时卫星上的一般均采用高精度原子钟进行计时，比如铯原子种要经过2000万年才会多1秒误差，所以卫星提供的（x₀，y₀，z₀，t₀）可以视为绝对可靠。

中国北斗三号星历，授时精度优于50ns

同时联动更多的卫星：

因此如果在同一时间内，手机能够搜索到尽量多的定位卫星就可以实现更加精确的定位，实际上手机上卫星信号接收机很聪明，在锁定4颗以上卫星时，会按卫星的星座分布划分成多个组别，每组四颗，从中挑选出误差最小的一组用于解码定位，这样定位精度就比以前高多了。

中国北斗三号一共由35个卫星组成

引入差分技术（Differential GPS）：

为提高定位精度，普遍采用差分技术，建立基准站进行观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，从而得到一个比较准确的位置，这种方式可以将定位精度提高到5米。

双频定位：

在面对更加复杂的误差因素时候，如果手机卫星定位模块支持双频接收机，可以根据两个不同频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，从而提供更准确的定位信息，这就是最近手机厂商们不停宣传的双频卫星定位。

小米8发布会PPT

华为Mate 20发布会演示的双频GPS定位

A-GPS辅助定位：

现在手机为了提供更加快捷高效的定位服务，发展出了AGPS，也就是AssistGPS。它就是利用小区基站进行辅助定位，基站上带有高精度定位仪器，自带高精度时钟减少时差，实时接收天上定位卫星信号，从而得知误差大概是多少，手机只要通过移动网络下载星历、误差数据，就可以实现快速定位。

谁来翻译一下。。。

有了精确的位置信息，配合上高精度地图软件信息，就算是路痴，也能在陌生的地方找到最快捷的路径，这里面可少不了全球定位卫星的功劳哦。

附送目前在轨运行的卫星定位系统工作频段、编码方式。