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卫星的测距原理
image.png 但是知道了距离，和位置是不同的概念
如果是一个二维平面， 卫星以自己为中心发散一个圆
掌握了二维坐标系中接收器的位置计算方法， 只要再增加一颗卫星， 就很容易推导出接收器在三维坐标系中的位置了。所以理论上有三颗卫星就能定位。
实际上并不是这样
这里面有几个潜在的问题
- 如何选择坐标系？
- 出于成本、 便携性等各方面的考虑， 接收器的时钟精度远不如卫星的时钟精度， 所以
在计算信号传输时间时会造成较大的偏差。 由于信号传播速度是光速， 所以哪怕这个时间偏
差为0.1ms， 距离偏差都会达到30km。
所以我们探讨一下坐标系的概念。
- 地心惯性坐标系（ Earth Centered Inertial， ECI） ： 用于描述GPS卫星的位置信息。 在这种坐标系中， 原点为地球的质心， 卫星围绕质心运动， 并遵守牛顿运动定律。
- 地心地球固连坐标系（ Earth Centered， Earth Fixed， ECEF） ： 用于描述地面接收器的位置信息。 ECEF最大的特点是它会随着地球而旋转。
ECI坐标系中， XY平面与地球赤道面重合。 X轴指向天球（ Celestial Sphere， 一种假
想的无限大的球， 它和地球同心。 所以ECI坐标系不受地球旋转的影响） 的某个位置。 Z轴
与XY平面垂直并指向北极。 ECI坐标系属于笛卡尔坐标系， 故卫星的位置由（ X， Y， Z）
表示。
ECEF坐标系的原点为地球中心（ 这就是Earth Centered一词的缘由） 。 XY平面也与
地球赤道面重合。 不过其X轴指向0经度方向， Y轴指向东经90度的方向。 所以ECEF坐标系
实际上是随着地球一起旋转的。 ECEF坐标系也属于笛卡尔坐标系， 故接收器的位置也由
（ X， Y， Z） 表示。
ECEF是一个笛卡尔坐标系， 而我们实际使用的位置信息却是由经纬度来表示的， 如何将笛卡尔坐标系中的X， Y， Z值转换成经纬度呢？
有一个换算公式，参考书籍
[2] 《 GPS Essentials of Satellite Navigation Compendium》 第2
章"Coordinate systems"
笛卡尔x，y，z坐标系以ECEF为主，然后这个坐标需要转换成，经纬度和高度，有一个公式。
时间系统
(1） IAT
(2） UTC
4.卫星轨道相关知识
开普勒三定律
左图中， Equatorial Plane为赤道平面， 卫星轨道本身是一个椭圆轨道， 它和赤道平面有一个夹角。 这个夹角叫轨道倾角（ 图中的Inclination） 。 右图中， 假设观察者站在坐
标原点观察左上角的卫星， 则h代表仰角（ Elevation angle） ， z代表天顶角（ Zenith angle） ， 而正北方向离卫星投影点的顺时针角度A为方位角（ Azimuth angle） 。
一些重要的基本概念
星历表（ Ephemeris） ： 本来用来记录天体特定时刻的位置的。 而在GNSS中， 星历表则记录了卫星的一些运行参数， 它使得我们通过星历表就可以计算出任意时刻的导航卫星的位置和速度。 下文我们将见到在GPS中， 星历表包含了非常详细的卫星轨道和位置信息，所以其数据量较大， 传输时间较长。 为了克服这个问题， 人们设计了星历表的简化集， 即历
书。历书（ Almanac） ： 包含卫星的位置等相关信息， 不过它是星历数据的简化集， 其精度较低。 所以， 历书数据量较小， 传输时间较短。
gps系统的组成和原理
GPS这三个段将借助GPS规定的通信频段以及数据封装格式进行通信。 其中， 空间段和控制段能双向通信， 而用户段只能从空间段获取数据
在此推荐使用GpsPredict软件获取和展示GPS卫星轨道及相关信息。 图9-13所示为该软件运行时的界面。
人们使用基于地球自转的天文测量得到的世界时（ Universal Time， UT） 作为时间计量单位。
时间偏差的问题怎么解决
通过再增加一颗卫星，相当于4元方程组
首次定位时间（ Time To First Fix， TTFF）相关
定义：它描述的是GPS接收器需要花费多长时间来捕获GPS卫星信号直到计算出自己的位
置
TTFF因启动模式[19]不同而有所区别
冷启动模式（ 也叫出厂模式） ： 在这种模式下， GPS接收器没有保存有效星历、 时间
及位置等信息， 所以它需要从周围可搜索到的GPS卫星那接收信号并获取用于定位的数据
（ 星历、 历书、 时间等信息） 。 前面曾介绍， 传输一个完整的GPS导航电文需要12.5分钟。
在这种模式下， TTFF至少为12.5分钟。
暖启动：距离上次定位的时间超过两个小时的启动。
热启动：距离上次定位的时间小于两个小时的启动。
1. 一些重要的基本概念
1.1 星历，历书
1.2 TTFF，启动模式
1.3 DOP的概念（讲完测距的原理再讲，理论与实际有出入）
2. 大致的测距原理
3. gps系统和导航电文
4. GPS 数据格式
GPS 接收机可以按照相关的标准定义将接收到的数据按照特定的格式输出诸如定位时间，经度，维度，高度，定位所用的卫星，DOP 值等信息。主要有 NMEA-0183 和 GPX 两种
- NMEA
- GPX
用到的参考资料
- [BSP]GPSBasicPrinciple_AlphaLi_V0.4_20160808 -----这个相当于大纲
- 深入理解Android：WiFi模块 NFC和GPS卷 - 邓凡平(jb51.net)----这个对于理解一些基本概念有帮助
- GPS Essentials of Satellite Navigation Compendium----这个对于深入理解卫星的原理有帮助
