GPS 的小知识 (www.ourdev.cn)
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【楼主位】 littleGnss
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 本人在GPS领域学习了近三年，所以给大家介绍下GPS的一些基础知识，算是为GPS开源活动贡献一份力量。有什么关于原理的东西，欢迎大家提问，共同讨论。

1. 为什么GPS接收机需要四颗星才能定位。
根据大家的常识，只要知道卫星的位置（卫星广播的电文中，播报了卫星的一些轨道参数，根据这些轨道参数，就可以计算出卫星的位置和速度，所以这个是已知的），再知道卫星到接收机的距离，在同一时间，只要有3颗卫星和3个距离，就可以解算出接收机的位置。 这样一来，似乎三颗卫星就能定位了。 但是大家要知道，卫星和接收机分别有自己的时钟，这两个时钟是不同步的。 而接收机测量距离的原理，是计算卫星信号的传播时延。具体来说，就是卫星告诉你，我发这一帧信息的时间，然后接收机记录下，接收到这一帧的时间，通过计算这个时间差，乘以光速，就得到距离了。 但是接收机不知道卫星的时间是什么时候开始的，或者说这两个时间系统是不同步的，所以我们在解算的时候，需要另外一个观测量，来估算卫星和接收机之间的时钟差。这样，由4个观测量（卫星到接收机的距离，因为这个距离受到种差的影响，并不准确，我们把它叫做伪距。），4个卫星的位置，通过解一个4元的非线性方程，就能算出接收机的位置了。

2.当卫星数目大于4个的时候怎么办？
如果大家观察接收机的输出，就知道接收机在空旷的环境下，通常能接收到6-10颗卫星的信号。 这样就有多于4个的伪距了，在这个时候，上面说的四元方程就不知一个解了。 但是接收机的位置肯定只有一个。 在这样的情况下，接收机一般使用最小二乘的方法，搜索出一个最佳位置，而这个位置，使得方程的误差最小。 具体关于最小二乘的原理，大家可以看看相关的估算理论的书籍。


3.为什么接收机在小于三个星的时候也能输出位置？
有时候，大家观察接收机的输出时，会发现，同时跟踪的卫星只有3颗，可是依然有位置信息输出。 我并不清楚商业接收机是如何实现的。但是有这么两个方法，一个是使用Kalman滤波，因为根据Kalman滤波中假定了系统方程，在状态量（位置和种差）并不完全可观测的情况下， Kalman滤波器可以权衡系统方程和现有的有限的观测量，估算出接收机位置，他像最小二乘一样，要求最测量数目要大于等于未知数数目。 另外一个方法，是加入伪观测量，比如在短时间内，我可以假定接收机的高度没有明显变化，所以我们把上一时刻的接收机的高度作为观测量，带入方程。

4.定位精度是由什么决定的？
GPS定位精度主要由观测量的质量和卫星的Geometry共同决定。
观测量（伪距）的质量主要由以下因素决定：1）卫星轨道和时钟误差（1-3m），2）电离层误差（1-30米），3）对流层误差（0.6m），4）CA码噪声（0.6m），5）多径。（可以到上百米，这个就是在市区，GPS定位精度差的一个原因）

Geometry，这个我也不知道怎么翻译，大致的意思就是接收机定位时，卫星的星座位置。看个图大家就明白些。

Geometry示意图 (原文件名:Geometry.jpg) 


图a是相对较好的Geometry，因为这个时候，接收机位置的不确定度比较小（阴影面积小），而图b，位置估算的不确定度较大（阴影面积大）。

5。研究GPS接收机简单的方法。
从学习和学术的角度而言，软件接收机都是一个不错的选择。那么软件接收机和硬件接收机有什么区别呢？还是从图上来看吧，

 (原文件名:SoftwareGPS.gif) 
引用图片

在软件GPS接收机中唯一需要的硬件就是那个前端，前端主要负责将天线接收的GPS信号放大（LNA），下变频，因为GPS L1的频率是1575.42MHz，L1CA码的主瓣带宽大概是2M，所以我们一般把RF信号下变频到4M左右。 然后再对中频信号（下变频后的信号）进行采样，送到电脑中处理。下图是一个前端，采样后的数据通过usb传到电脑中。

 (原文件名:Frontend.jpg) 
引用图片


使用软件接收机的最大优点，在于其灵活性，很方便的学习和验证算法。 下面的图是个软件接收机运行的样子。我没有插天线，所以所以的信道都在搜索卫星信号。

 (原文件名:gsnrx.jpg) 
引用图片


6. 为什么垂直的精度没有水平的精度高？
刚才上面讲了Geometry的问题，可以想象，要确定水平位置，卫星可以散步在接收机四面八方，所以得到的水平的geometry就比较好，而对于高程，因为我们只能接收到头顶的卫星信号，而地球背面的卫星信号都被阻挡了，因此只有一面的卫星信号，这样的geometry就比较差，所以垂直方向上的不确定度就比水平方向大。

先说这么多吧。欢迎拍砖。










本贴被 littleGnss 编辑过,最后修改时间：2010-07-13,08:25:27.
　
2010-07-13,00:42:56
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【1楼】 armok 阿莫

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 Cool!
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2010-07-13,01:05:19
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【2楼】 some9009 倔强落叶
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 cool
　
2010-07-13,01:11:04
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【3楼】 hecat
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 mark!
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我就是一打杂的。
2010-07-13,01:23:51
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【4楼】 littleGnss
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 回复【1楼】armok  阿莫
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哈哈，第一帖就是cool。
　
2010-07-13,02:19:43
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【5楼】 logics

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 学习！
　
2010-07-13,07:02:55
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【6楼】 fsclub 绿林好汉

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 我的XV6800手机就是软GPS。没有专门芯片，而是高通7500CPU与手机其它功能共用进行计算。
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东戳一下，西顶一下。
予独爱莲之出淤泥而不染，濯清涟而不妖，中通外直，不蔓不枝，香远益清，亭亭净植，可远观而不可亵玩焉！

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2010-07-13,08:02:11
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【7楼】 hanhuliang
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2010-07-13,08:52:24
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【8楼】 liuliuset 向左

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 学习
　
2010-07-13,23:10:22
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【9楼】 yusufu

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 学习了~~mark
　
2010-07-14,01:25:31
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【10楼】 3466756555
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来自：河北 石家庄
  

  非常专业 并且通俗易懂   不能不顶
　
2010-07-14,09:03:27
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【40楼】 liudeee 小菜

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来自：河北保定（华北电力大学）
标记待看。
　
2010-08-30,13:58:19
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【41楼】 ziluobu
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2010-08-31,00:44:50
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【42楼】 bluelool 三脚猫
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2010-08-31,09:17:10
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【43楼】 littleGnss
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来自：Institute Of Navigation
 回复【39楼】seutommy  老王
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采样率只要大于信号带宽就可以了，更高的采样率对定位精度并不会产生很大的影响。 如果提高前端带宽，高采样率可以用于降低多径的影响。 但在信号条件良好的情况下，定位精度并不会随着采样率的提高有本质的提高。
　
2010-09-01,08:04:12
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【44楼】 seutommy 老王
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来自：NCSU
 采样频率决定了C/A码相位的分辨率，会对伪距计算产生显著影响。之所以前端采样频率不能做的很高，主要还是考虑到跟踪部分的计算量问题。
　
2010-09-01,12:09:11
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【45楼】 elder60 60岁老头
积分：1227
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来自：上海 浦东 名人苑附近
 两位都是我老师. 学生我提如下问题,请解惑:
目前商品机中的采样频率是多少? IF又是多少? 为什么? 

　
2010-09-01,13:07:12
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【46楼】 littleGnss
积分：39
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来自：Institute Of Navigation
 回复【44楼】seutommy  老王
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确实，多数接收机的采样率不能做很高是因为计算量的问题。

但是，在前端带宽一定的情况下，进行过采样，主要是为了抑制噪声。DLL的性能，决定了你得到的码相位的精度，这个时候提高分辨率，并不能明显减小DLL的jitter。 但是如果相应提高前端带宽的话，可以使相关后的结果更接近的三角形，这个时候可以减小DLL的code spacing，这样就真正提高了码相位的分辨率，这也是为什么窄相关能够抑制多径。 

回复【45楼】elder60  60岁老头
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我知道NovAtel的一种接收机是 70.42M 中频，40M实采样率。前端带宽是8M。中频和采样率的选取只要保证带宽内信号不产生混叠就行了。
　
2010-09-02,00:08:45
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【47楼】 elder60 60岁老头
积分：1227
派别：
等级：------
来自：上海 浦东 名人苑附近
  回复【46楼】littleGnss 
我知道NovAtel的一种接收机是 70.42M 中频，40M实采样率。前端带宽是8M。中频和采样率的选取只要保证带宽内信号不产生混叠就行了。
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有几个问题请教:
1. 你在【楼主位】 里提到:
GPS L1的频率是1575.42MHz，L1CA码的主瓣带宽大概是2M，所以我们一般把RF信号下变频到4M左右。 然后再对中频信号（下变频后的信号）进行采样，送到电脑中处理。
  为什么差距如此之大?
2. 70.42M 中频，40M实采样率的配置,将使得频谱倒置.它为什么要这样处理? 频谱倒置了也不影响后续的捕获和跟踪?
  这样采样下来的数字中频频率是80-70.42=9.58MHz,对吗? 是否其后还要进行数字下变频,把频谱倒回来?
3. 我有一种感觉: 仅管L1CA码的主瓣带宽2MHz左右,如果放弃它的副瓣(即滤波器的带宽也是2MHz),这只是低端机的做法. 这种想法对吗?
4. GPS的产品宣传中,往往提及我有多少多少相关器. 不知"一个相关器"是怎样定义的?
  我是边学边问.冒昧了.


本贴被 elder60 编辑过,最后修改时间：2010-09-02,09:50:43.
　
2010-09-02,09:16:22
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【48楼】 littleGnss
积分：39
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来自：Institute Of Navigation
 回复【47楼】elder60  60岁老头
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1.因为NovAtel是比较高端的接收机，它的前端带宽比较宽。这个时候用4M的中频的话，就要产生混叠了。另外它的中频选取可能还要考虑到其他一些因素，比如硬件实现，多系统，多频率等等。所以不同接收机的设计也是不同的。

2.其中一点是对的，70.42M的中频的信号经过40M采样后，相应的频谱会搬到正负9.58M的地方，因为采样频率大于4B，B为信号双边带宽，所以并不会引起频谱混叠。

3.对的，低端的接收机，像Sirf这类的，一般前端带宽比较低，采样率也相应的较低。所以他的相关峰并不是理想的三角形的样子，而是顶端比较平的样子。

4.这个是如何定义的，我也不清楚。我的理解就是完成一次一个码周期的相关运算就是一个相关器的工作。而且在很多情况下，厂家一般指的是等效相关器的多少，这个是通过FFT这类运算完成的，而不算是传统的相关器了。

你太客气了，我也是学生，很多东西，也是一知半解。

本贴被 littleGnss 编辑过,最后修改时间：2010-09-02,13:14:04.
　
2010-09-02,12:57:54
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【49楼】 number007cool

积分：286
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2010-09-03,11:55:04
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