[讨论] 涨姿势！初中方程破解小米8双频GPS全球定位，一起做学霸！
| 本帖最后由 jeongyeoui 于 2018-6-4 15:48 编辑
——卫星全球定位≠GPS—— GPS是卫星定位系统，但是卫星定位系统并不只有GPS。目前全球定位系统有: 美国GPS:起步早，历史悠久，技术全面，分为加密军用和开放民用，民用全球相当普及。 俄罗斯GLONASS:紧随美国之后的世界第二大全球卫星定位系统，军民开放合用，不过发展速度越加缓慢，逐渐要被我国赶超。现状是打算和我国卫星导航系统整合。 欧盟GALILEO:近年逐渐兴起，原与我国实力不相上下，但由于欧债危机，研究停滞不前，已被我国超越。 中国北斗卫星:我国自主研发的全球卫星定位系统，应该说是该领域的后起之秀，直逼美国GPS系统，两者各有优劣。但是毕竟起步晚太多，系统成熟度、定位准确度和美国相比还略有差距，但差距已经不大了。 其它：印度和日本也有自己的卫星导航系统，不过它们并不是全球定位，仅仅局限于自己国家和周边区域的“局部定位”。 虽然全球定位系统数量不少，但在民用领域，美国的GPS全球定位系统依然是市场的老大哥，地位暂时无法撼动！所以，希望大家知道，我们口中的GPS一直是美国的产物；全球定位不止一家，终有一天我国自主研发的北斗卫星全球定位系统也会发光发热，在民用领域占据半边江山！ ——GPS的工作原理—— 回到我们今天的主题——GPS。一般而言，我们使用手机通过GPS进行定位，需要三个主要组成部分： 1.卫星系统：“天上”有几十个卫星不停地按照自己的“私人路线”围绕地球旋转，这些卫星在移动过程中不断记录自己的位置信息以及时间信息，并将这些信息持续发往地球。 2.地面控制系统：这就像是卫星的遥控手柄一样，实时“监控”卫星的状态，对其进行适当的调整。 3.手机（含有GPS芯片）：手机就像是一个接收器，用于接受卫星发来的、属于卫星的位置、时间信息，通过计算这些信息，综合得出手机（和人）在地球表面的具体位置。 理论上，除了三个主要组成部分，技术上定位的准确性以及是否能够有GPS信号还依赖2点： a.卫星的数量：一个卫星由于其位置和能力的关系，它只能向地球的一小部分发送GPS定位信息。所以，如果你希望地球上每个位置都能有GPS信号，且信号越加准确，那么卫星的数量显然是越多越好 b.定位至少需要4个卫星：这里不详述（后文学霸篇会解释）。手机要同时接受4颗卫星的信号才能计算出你的实际位置。所以对于GPS系统而言，你在地球任一地方抬头，头上至少有4颗卫星。 ——GPS影响因素—— GPS卫星把“信号”通过光速持续发往地球，期间很容易受到影响导致出现误差。目前已知的、常见的一些误差有： 1.大气层：GPS信号在穿越大气层时，电离层和对流层对GPS信号产生了阻碍，导致了信号的延迟。 2.多径效应：其实指的就是城市里的各种建筑物，GPS的信号经过建筑物表面多次反射后才传送到你手机里。 其实这两点就是雷总在发布会上说的最影响定位的两点。当然有些人可能会反驳，说在恶劣天气下、例如暴雨天、太阳黑子等等不也会影响GPS么？没错，但在这些情况下，影响的是GPS的信号强度，不会影响GPS的定位准确度。 ——GPS的“广播频道”—— 雷总在小米8发布会上说的“L1”和”L5”其实都是GPS的“广播频道”。GPS现有3个频道，分别是“L1”、“L2”、“L5”。大约至2020年，“L5”频道才会完全建设完善，因为卫星的建造、发射、“布局”都是需要大量资金和时间的。不过目前使用已经没有很大问题。 “L2”是美国军方专用的加密频道。“L1”、“L5”是开放的民用频道。“L1”是最“历史悠久”的频道，而“L5”实际上是美国为了使GPS现代化 ，提高民用定位准确度而新开设的频道。“L1”和“L2”发送“信号”到地球的频率不同，导致了准确度的直接差异——军方肯定是比民用更精确。 “L5”其实是和“L2”同一频率，可以理解为军方的“民用版”。“L1”和“L5”各有优劣： 1.“L1”：发送信号速度快，手机接受信号速度快，但是误差太大，定位不准。 2.“L5”：定位精准，但是容易受到建筑物影响，信息接收慢。 那么小米8的双频“L1”“L5”GPS定位有什么优势呢？（理论上分析） a.由于”L1”和”L5”频率不同，发射信号到地球的速度不同，穿过大气层时会产生速度差，这个值可以帮助大气层所引起的定位误差。 b.根据”L1”和”L5”的不同特性，先利用“L1”做粗略的快速定位，再利用“L5”的特性做精准定位，这样，定位速度快/位置精准！ ——AGPS辅助定位—— 其实手机定位并不只依赖GPS，还有AGPS辅助定位方案。简单点说，就是利用你手机上网这个功能进行辅助定位。 为什么你能用4G网络上网？因为在你附近有很多“基站”，你可以理解为像家里的路由器，每个区域都有放置。所以你连上哪个区域的路由器（基站），那么就大致可以知道你的靠近哪个区域，这也是一种快速辅助定位的方法。 ——GPS=手机拍照—— 手机GPS定位技术和手机拍照一个道理，他是一个附加功能，能用，但是和专业设备还是有很大差距的——例如手机拍照不如单反。但是由于技术的不断发展，手机GPS也可以通过各种新技术提升定位效果，就像手机双摄模拟单反。 ——学霸进阶：用方程式解GPS定位—— 其实GPS的定位理论，初中、高中的数学知识大约就能解释！所以我们现在进入学霸模式，主要解决这个问题：为什么GPS定位至少需要四颗卫星。 复习一下，如果我们需要在平面上表示位置，那么只需要X轴、Y轴，x、y两个坐标。但是如果我们需要在一个现实空间里要表示你的位置——三维，那么我们就需要X、Y、Z三轴，x、y、z三个坐标，就是立体几何。 由于我们是使用GPS定位，无论是定位用的卫星还是你个人的位置，大多数情况下都是移动的，并且信号传送过程中也是需要时间的，会有时间延迟。 所以，如果你需要数学量化来表示你的位置，我们至少需要4个参数（x、y、z、t），3个位置变量和1个时间变量。 好，开始解题：设小明需要定位的位置信息为x、y、z、t。 小明的位置信息是我们需要求解的，未知的。我们必须通过已知的题目条件去解题，那我们已知什么？我们知道卫星的空间坐标。 卫星不断围绕地球旋转的过程中，他的位置和时间都是事实记录和发送的，所以我们假定已知的卫星实时位置信息为（a1、b1、c1、t1）。 除此以外，我们还能知道哪些条件？卫星信号以光速发送信号到地球，信息传输的速度就是光速，我们标注光速是大写的C，信号传输的距离为S。然后我们可以得到第一个等式。 解释：距离=速度*时间，很容易理解，但是这个时间是怎么来的呢？t1是卫星发送的时间，t是小明手机接收到gps信号的时间，两者的差就是GPS信号以光速传输的时间。 然后我们再来复习下立体几何的问题，这里有个立方体，小明在B点，卫星在A点，两者的空间坐标分别为（x、y、z、t）和（a1、b1、c1、t1），让你列一个A-B点的距离等式（对角线长度），你会吗？看看我这个学渣怎么做的。 解释：勾股定理还记得么？直角三角形两直角边的平方=斜边的平方。所以我们通过使用两个勾股定理很快就得出小明和卫星间的距离等式。但是问题又来了，BH、HG、AG的长度又是多少呢？ 解释：BH、HG、AG的长度就需要利用小明和卫星的空间坐标来表示了，需要立体几何的空间感哦。 同样一个距离，我们用了两种计算方法去表示，那么这两个距离等式我们可以直接划等号。那么，有了这样的等式后我们是不是可以求出小明的位置了呢（x、y、z、t）？ 显然是不行的，一个方程求四个未知数，需要四个方程组成方程组才行！所以，一个卫星提供一个方程，四个卫星才能提供一个方程组，解出小明的位置。这就是为什么定位一定至少需要4个卫星才能做到。 ——GPS冷知识—— 不知道我这个学渣的解题过程能让大家理解么？希望大家在评论区发表些看法以针对我个人努力学习的鼓励吧！最后附赠大家一些GPS相关的冷知识，主要针对不太了解GPS的小白哈，大神如发现有不足，请指出，我将改进！ 一、GPS是免费的？ 美国的GPS工作原理是卫星不断地发送信号，所以你只要有GPS设备就能接受，所以没法收费。如果你要加密，还牵涉到防破解，维护。民用GPS信号，没必要像军方那样折腾，所以干脆开放免费，这也显示美国科技强国的霸主地位。 另外一些小国家的军事导航必将用到军用级GPS，所以这当中厉害关系你懂得。 二、排名第二的俄罗斯卫星导航为什么要和中国合作（并入中国北斗卫星导航） 不得不说卫星导航的研发和维护是需要大量资金的，估计俄罗斯人民hold不住开销了，又不希望美国一家独大，和中国合作是最好的双赢！ 三、为什么说欧盟的卫星导航坑了中国？ 简单点说，当年欧盟研发缺钱，看上了中国，要求合作，结果核心技术方面却把我国排除在外，连印度、日本都能进“核心小组”，这真的是太过分了，所以我国立刻退出，专心研发我国自主的北斗导航！ 四、中国北斗和GPS比较如何？ 目前在定位精度还又有些小差距，但是不久的将来，中国一定会超过GPS。而且虽然定位精度上目前不如GPS，但是中国北斗有个很牛叉的功能是通讯功能，可以用来发送信息的！这在汶川地震，手机信号基站损坏严重，无法通讯的情况下，全靠北斗卫星通讯，你说牛不牛？ 五、卫星导航频道也是稀有资源！ 我们可以理解为卫星发送信号到地球走得通道就像是广播频道一样，这些频道都是限量的，而且频道也有好坏之分。 根据国际游戏规则，谁先占有就是谁的，中国起步晚，自然美国更占优。中国和欧盟几乎同时起步，所以也有争夺“频道”的情况，很自豪的告诉大家，欧盟“干不过”我国，如果你对这些内容感兴趣，也可网上查查，今天我的科普就到此为止啦！ 本帖首发于小米社区，由小米达人先锋队倾情出品，未经授权请勿引用转载或商业用途！ |
