詳解GPS工作原理

1、本文由美國(guó)福斯特半導(dǎo)體提供詳解GPS工作原理開(kāi)車最難過(guò)的就是迷路。不過(guò)自從有了GPS，很多道路問(wèn)題都能迎刃而解，它可以部署在汽車導(dǎo)航系統(tǒng)或便攜式導(dǎo)航設(shè)備里，也可以部署進(jìn)汽車中控臺(tái)，甚至是車主的智能手機(jī)里，只需打開(kāi)地圖，你就能輕松的知道自己在什么位置。不過(guò)，如果汽車導(dǎo)航界面做的比較粗糙，輸入數(shù)據(jù)就會(huì)比較麻煩，特別是在駕駛汽車的過(guò)程中，會(huì)很難完成地址的輸入操作。本文將給大家介紹下什么是GPS，它可以為汽車做些什么，未來(lái)它又會(huì)有哪些可能的用途。GPS會(huì)讓你更加安全地駕駛，幫助你了解周邊交通情況，尋找附近的服務(wù)，甚至還可以幫助商店推銷服務(wù)。GPS是如何工作的（可能比你想知道的還要多）從1994年開(kāi)始，

2、地球上空就出現(xiàn)了24顆GPS衛(wèi)星，他們被分成了六組，在1.3萬(wàn)英尺的高空中圍繞地球飛行。它們是同步軌道衛(wèi)星，但并不是靜止的，而是以每小時(shí)8千英里的速度從西向東飛行，每天可以繞地球兩次。每顆衛(wèi)星上搭載了原子鐘，并且不斷報(bào)告：偽隨機(jī)碼：每顆衛(wèi)星的ID星歷數(shù)據(jù)：當(dāng)前日期和時(shí)間，衛(wèi)星是否健康或不健康（“不健康”可能意味著衛(wèi)星正在重新定位或重新校準(zhǔn)，不是指它飛走了）年鑒數(shù)據(jù)：定位衛(wèi)星在什么時(shí)間到達(dá)什么位置的數(shù)據(jù)（每個(gè)GPS衛(wèi)星都有年鑒數(shù)據(jù)）GPS內(nèi)部的接收器會(huì)從衛(wèi)星捕捉到達(dá)時(shí)間（TOA）和飛行時(shí)間（TOF）。給定光速（恒定），以及信號(hào)在什么時(shí)候、什么地方發(fā)生，GPS接收器便會(huì)計(jì)算出你的車、你的便攜式導(dǎo)航

3、儀、徒步GPS，或是智能手機(jī)在地球上哪個(gè)位置。當(dāng)設(shè)備沿著高速公路移動(dòng)，它還會(huì)計(jì)算行駛速度和羅盤航向，不過(guò)GPS的速度通常會(huì)比汽車?yán)锍瘫盹@示的時(shí)速慢幾英里。行駛數(shù)據(jù)會(huì)呈現(xiàn)在導(dǎo)航系統(tǒng)里。衛(wèi)星信號(hào)從地球大氣層從40-600英里高空穿過(guò)電離層，會(huì)產(chǎn)生延遲；而GPS系統(tǒng)會(huì)應(yīng)用校正因子。一般而言，我們需要三個(gè)GPS信號(hào)來(lái)確定（三角定律）接收器的位置，然后用第四個(gè)信號(hào)來(lái)計(jì)算高度。當(dāng)然，接收器接收的衛(wèi)星數(shù)量越多（最多應(yīng)該是十二個(gè)，因?yàn)橐还捕念w衛(wèi)星，另外十二個(gè)在地球的另一邊），定位的質(zhì)量就會(huì)越高。如果原子時(shí)鐘不準(zhǔn)確，或是其他不準(zhǔn)確的信息進(jìn)入，GPS可以進(jìn)行修正。第一顆GPS衛(wèi)星是在1978年發(fā)射升空的，目前

4、很多GPS衛(wèi)星都能很好地運(yùn)行，工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)十年。他們的重量約為2千磅（按地球上重量計(jì)），如果算上支持衛(wèi)星動(dòng)力的太陽(yáng)能電池板的話，長(zhǎng)度可以達(dá)到17英尺。這些衛(wèi)星的發(fā)射器能超過(guò)產(chǎn)生不到50瓦特的輸出，當(dāng)然，很多新的衛(wèi)星也在開(kāi)發(fā)，發(fā)射，全世界很多國(guó)家現(xiàn)在都有自己的GPS衛(wèi)星。更加新一些的GPS系統(tǒng)（接收器在地球上）定位會(huì)更加準(zhǔn)確，而且能夠定位更小的對(duì)象，價(jià)格也更便宜，它們甚至還能定位室內(nèi)GPS接收器。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局曾經(jīng)展示過(guò)一個(gè)芯片，它比一美分硬幣還要小，但是卻內(nèi)置了三個(gè)陀螺儀，三個(gè)加速度計(jì)，以及一個(gè)內(nèi)置時(shí)鐘（見(jiàn)上圖）。還有其他一些研究人員開(kāi)發(fā)了很多技術(shù)，目的是提升GPS計(jì)時(shí)功能和衛(wèi)星時(shí)鐘

5、的準(zhǔn)確度。這些研究的主要目的，是讓昂貴的GPS系統(tǒng)能夠進(jìn)一步提升準(zhǔn)確度，并且能夠把這種準(zhǔn)確度應(yīng)用在普通人的汽車中控系統(tǒng)里面。GPS接收器有多準(zhǔn)確？GPS一開(kāi)始軍事衛(wèi)星系統(tǒng)，主要是希望提升飛機(jī)，潛艇，以及其他武器設(shè)備的定位準(zhǔn)確度。直到2000年，GPS才實(shí)現(xiàn)了民用化，但是精確度有些降低。發(fā)送給非軍事用戶的未加密的時(shí)間信號(hào)會(huì)隨機(jī)抵銷，讓定位誤差在100米左右。人們這種情況稱為選擇可用性（SA），當(dāng)你定位一輛汽車，也許它的實(shí)際位置可能會(huì)和你有一到兩個(gè)街區(qū)那么遠(yuǎn)。差分GPS技術(shù)的開(kāi)發(fā)，使用了基于地面參考站來(lái)糾正精準(zhǔn)度，這種技術(shù)可以將SA信號(hào)定位在15米范圍內(nèi)，大約2到3輛汽車的長(zhǎng)度，如果在最好的情況下

6、，其精準(zhǔn)度甚至可以達(dá)到10厘米或四英寸，這種情況已經(jīng)非常不錯(cuò)了，它甚至可以用來(lái)測(cè)試定位樁是否足夠準(zhǔn)確。與此同時(shí)，美國(guó)聯(lián)邦航空局、海岸警衛(wèi)隊(duì)、以及交通運(yùn)輸部卻要求停止使用SA信號(hào)。2000年，時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)的比爾克林頓命令提升民用GPS質(zhì)量，不再允許所謂的“選擇可用性”，美國(guó)政府的GPS網(wǎng)站上說(shuō)，“美國(guó)沒(méi)有意圖再使用選擇GPS可用性了?！比缃?，汽車內(nèi)的GPS接收器可以精準(zhǔn)定位到10至15米的范圍，而且其中的衛(wèi)星接收器模塊成本也只有幾美元而已。單獨(dú)的GPS接收器，精準(zhǔn)度可以達(dá)到3米范圍，如果你使用的是價(jià)格更貴，質(zhì)量更好的衛(wèi)星接收器模塊，甚至可以精準(zhǔn)定位到幾厘米的范圍。美國(guó)天寶公司推出的Total S

7、tation GPS系統(tǒng)，售價(jià)高達(dá)2.5萬(wàn)美元，它的精準(zhǔn)度可以控制在一英寸范圍內(nèi)。這意味著在高精度GPS系統(tǒng)的控制下，你甚至可以遠(yuǎn)程控制道路施工設(shè)備，整平并修整地面，最終鋪設(shè)一條公路出來(lái)。如果你有一個(gè)老式汽車導(dǎo)航系統(tǒng)，它的定位精準(zhǔn)度大概在15米范圍左右，那么這個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)做些小把戲。如果你的高速公路上向北行駛，附近沒(méi)有其他道路，位置圖標(biāo)會(huì)與道路對(duì)齊；如果你在雙向之間有分車帶的公路上開(kāi)車，那么導(dǎo)航系統(tǒng)就會(huì)對(duì)齊到向北的道路上。如果你轉(zhuǎn)彎，或是繞圈行駛，導(dǎo)航也會(huì)進(jìn)行自我校正。GPS導(dǎo)航也會(huì)使用一個(gè)內(nèi)置的羅盤，運(yùn)動(dòng)傳感器，以及測(cè)速儀，它會(huì)準(zhǔn)確判斷出你是否進(jìn)入到隧道。（如果你在一個(gè)隧道里，那么會(huì)看到當(dāng)前

8、位置圖標(biāo)在隧道中間，精準(zhǔn)度可以達(dá)到一輛汽車長(zhǎng)度的范圍，非常完美。）除了顯示地圖，GPS還能為汽車做什么？顯然，汽車?yán)锏腉PS可以在地圖上準(zhǔn)確定位，但實(shí)際上，它還可以做很多其他事情，下面就舉幾個(gè)例子：自動(dòng)碰撞通知。在汽車事故中，如果汽車裝配了車載資訊處理系統(tǒng)，比如通用的安吉星（OnStar），汽車會(huì)自動(dòng)向車載資訊遠(yuǎn)程呼叫中心報(bào)告所在位置，然后呼叫距離你最近的公共安全應(yīng)答點(diǎn)（PSAP），或幫你撥打緊急電話。此外，使用Ford&Sync，還可以通過(guò)藍(lán)牙連接的手機(jī)直接撥打電話。通常路過(guò)的司機(jī)也會(huì)幫忙撥打緊急電話，但如果車禍發(fā)生在一個(gè)比較偏僻的地方，說(shuō)不定好久才有一輛汽車路過(guò)。增強(qiáng)型的自動(dòng)天體導(dǎo)

9、航添加了很多非GPS信息，比如失事的地理位置和車輛破損程度，還有如果汽車翻車了，乘客是否有系安全帶。寶馬和通用汽車正在研究相關(guān)算法，可以預(yù)測(cè)當(dāng)汽車出車禍時(shí)，乘客嚴(yán)重受傷的可能性；這些汽車公司相信，他們的算法足夠準(zhǔn)確，能夠幫助處理安全事故的工作人員判斷，是否需要派遣醫(yī)療救援直升機(jī)（主要出于成本考慮，因?yàn)槭褂靡淮吾t(yī)療救援直升機(jī)的費(fèi)用大約是5千到1.5萬(wàn)美元）。上面提到的這一切，如果沒(méi)有GPS信號(hào)都是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的?？深A(yù)測(cè)前照燈。首先是前照燈，然后是好的前照燈（包括氙氣大燈，LED大燈，以及激光大燈），再下來(lái)是轉(zhuǎn)向大燈（當(dāng)你的方向盤朝右打的時(shí)候，車輪向右，右轉(zhuǎn)燈就會(huì)打開(kāi)）?，F(xiàn)在，如果有了GPS信號(hào)，當(dāng)你

10、駛向路口時(shí)，汽車就會(huì)預(yù)先判斷出你要轉(zhuǎn)向，繼而打開(kāi)車燈。據(jù)悉福特汽車公司正在試運(yùn)行一款根據(jù)GPS信號(hào)判斷的轉(zhuǎn)向燈。延長(zhǎng)混合動(dòng)力汽車，電動(dòng)汽車的行駛里程。電動(dòng)汽車，或者是混合動(dòng)力汽車，需要盡可能的保持電量充足，才能行使更長(zhǎng)的里程。但是很多爬坡，或是路況不好的地段往往特別耗電，舉個(gè)例子，如果讓你的電動(dòng)車在略微有些坡度的高速公路上行駛一段時(shí)間，貌似不會(huì)有太大問(wèn)題。但是，如果地圖數(shù)據(jù)顯示了GPS位置，然后告訴你目前的充電量在完成上坡路段之后，只能再開(kāi)2.5公里，那么或許你在上坡之前，就該考慮一下是不是要給自己的汽車充電了。服務(wù)。當(dāng)你搜索附近距離最近的漢堡王時(shí)，就得依靠GPS來(lái)幫忙了。不過(guò)GPS服務(wù)仍然需

11、要做的更好一些，很多第三方App，還有車載導(dǎo)航系統(tǒng)里的數(shù)據(jù)庫(kù)，真的需要思考一下如何提供用戶想要的服務(wù)，要知道，人們想要的是距離最近的漢堡王，而不是20里外的漢堡王。智能手機(jī)App。如果你的汽車?yán)镉熊囕d資訊處理系統(tǒng)，那么肯定會(huì)有與之配套的App，你可以在自己的手機(jī)上操作很多功能，比如遠(yuǎn)程啟動(dòng)汽車，或是遠(yuǎn)程關(guān)閉車門。據(jù)說(shuō)還有一款基于GPS的定位App應(yīng)用，如果你把車停在一個(gè)巨大的商場(chǎng)停車場(chǎng)，購(gòu)物之后想不起來(lái)具體停在哪個(gè)車位上，此時(shí)這款A(yù)pp應(yīng)用就會(huì)將你引導(dǎo)到自己的汽車邊上。智能車庫(kù)門開(kāi)啟器。許多汽車有HomeLink車庫(kù)門開(kāi)啟器。汽車的中控臺(tái)已經(jīng)被各種各樣的按鍵占滿了，如果讓車主在手工去操作打開(kāi)車

12、庫(kù)門似乎還真的有點(diǎn)兒low了，此時(shí)GPS的作用就發(fā)揮出來(lái)了，當(dāng)你距離車庫(kù)還有半英里的時(shí)候，中控顯示屏上的右邊就會(huì)彈出一個(gè)按鍵，你只需觸摸點(diǎn)擊一下，車庫(kù)門就會(huì)自動(dòng)打開(kāi)。校準(zhǔn)車速里程表。美國(guó)聯(lián)邦監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求汽車的車速里程表不能少報(bào)車速。集成GPS可以把你的車速里程表校準(zhǔn)到最準(zhǔn)確的速度上。如果你有一個(gè)便攜式導(dǎo)航設(shè)備，通常可以顯示出你的車速。提供最佳車道建議。如今，一些好的導(dǎo)航系統(tǒng)具有車道出口顯示功能，告訴司機(jī)哪些是直通車道，哪些是駛出車道，哪些既能直通，又能駛出。一些定位更準(zhǔn)確的GPS，甚至?xí)谀阈枰偝鲕嚨溃蚴切枰兊乐?，給司機(jī)進(jìn)行提示。GPS和自動(dòng)駕駛汽車自動(dòng)駕駛汽車依靠視覺(jué)（或雷達(dá)）傳感器

13、，和三維地圖來(lái)準(zhǔn)確定位，也能因此判斷出哪些地方有危險(xiǎn)。此時(shí)，如果GPS能夠精準(zhǔn)定位到英寸級(jí)別的范圍，而不是一米或五米范圍，那么將會(huì)發(fā)揮更大的作用。事實(shí)上，這種技術(shù)已經(jīng)誕生了。至少，自動(dòng)駕駛汽車需要把自己放在一個(gè)12英尺寬的車道中間，并且車輛來(lái)回?fù)u晃幅度的范圍不能超過(guò)一英尺。帶有后視鏡的汽車大約有六到七英尺寬。如果考慮到里中心位置存在一定的偏離度，那么可以在汽車兩邊在延長(zhǎng)出1.5到2英尺的安全距離。如今，利用相關(guān)視覺(jué)輔助系統(tǒng)可以通過(guò)定位車道標(biāo)記來(lái)跟蹤汽車的位置。當(dāng)汽車搭載上超精準(zhǔn)的GPS，就可以扮演汽車傳感器的“獨(dú)立審計(jì)員”。GPS可以判斷出車道偏離警示系統(tǒng)（LDW）可能不是表現(xiàn)的很好，并提醒車

14、主。如果是下雨或是下雪天，視覺(jué)系統(tǒng)的功能可能會(huì)略有下降，因?yàn)橛行┸嚨罉?biāo)線可能會(huì)被雨雪給覆蓋掉，此時(shí)GPS將會(huì)繼續(xù)幫助汽車保持在車道中央行駛。在惡劣天氣里，有些車輛仍然需要外出工作，比如掃雪車，此時(shí)如果有GPS，不僅可以引導(dǎo)車輛方向，超速時(shí)提醒司機(jī)保持中速行駛，還可以在偏離既定路線時(shí)發(fā)出警報(bào)。在未來(lái)的五年時(shí)間里，雖然讓自動(dòng)駕駛汽車實(shí)現(xiàn)每小時(shí)60英里的速度有些困難，但是每小時(shí)30英里應(yīng)該不難實(shí)現(xiàn)。購(gòu)買建議上世紀(jì)90年代中期，世界上首款嵌入式車載導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)在了寶馬7系車上，成本約為2500美元（放在2015年，相當(dāng)于4千美元）。如今，超過(guò)1千美元的導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)是鳳毛麟角了，一般的導(dǎo)航系統(tǒng)售價(jià)基本是

15、在500美元（或以下），部署這些導(dǎo)航設(shè)備的汽車售價(jià)基本上都是在5萬(wàn)美元以上。另外值得一提的是，現(xiàn)在汽車中控裝載彩色LCD屏幕已經(jīng)是標(biāo)配了，因此導(dǎo)航也成為了汽車必不可少的一項(xiàng)服務(wù)功能。嵌入式導(dǎo)航系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)就是屏幕大（對(duì)角線為7英寸到10英寸），二級(jí)導(dǎo)航顯示一般會(huì)放在儀表盤或是擋風(fēng)玻璃顯示屏上，相對(duì)于便攜式導(dǎo)航已和智能手機(jī)導(dǎo)航，車載導(dǎo)航的控制旋鈕和操作按鍵更大。此外，汽車車頂都會(huì)裝上鯊魚(yú)鰭式天線，這樣可以更快速的啟動(dòng)定位。汽車導(dǎo)航系統(tǒng)幾乎從來(lái)不會(huì)被人偷掉，而且也沒(méi)有煩人的電線。智能手機(jī)通常具有較強(qiáng)的語(yǔ)音識(shí)別功能，比如，你會(huì)使用Siri說(shuō)，“Siri，告訴我去球場(chǎng)的方向”。很多導(dǎo)航App應(yīng)用要么非常便宜，要么就是免費(fèi)的，甚至連升級(jí)都是免費(fèi)的。相比而言，一般汽車導(dǎo)航升級(jí)需要花費(fèi)一百美元到兩百美元不等。蘋果的CarPlay和Google的Andriod Auto則都具有整合優(yōu)勢(shì)，他們的導(dǎo)航系統(tǒng)幾乎都有內(nèi)置的地圖應(yīng)用，即蘋果地圖和谷歌地圖，當(dāng)你把這些應(yīng)用連接到汽車