【物联网】23.物联网开发之感测系统

“定位”就是测定位置。“卫星定位系统”这个词听上去给人感觉很生硬也很复杂，换成GPS（Global Positioning System，全球卫星定位系统）这个说法，想必大家就不陌生了。GPS 传感器在车载导航系统和智能手机上也有所应用，在除工程师之外的人群中也有着很高的知名度。并且想必各位也知道，GPS 是一款利用人造卫星测量位置的传感器。
前面说的还是作为电子零件的传感器，不知不觉地，现在话题竟上升到宇宙层面了。那么就索性一起来思考一下这浪漫的GPS 的机制。说到宇宙层面大家可能有点犯怵，不过只要有初中程度的数学知识就足以理解GPS 定位的基本原理，所以不必担心。

GPS 的结构

首先，如果大家想借助GPS 的力量，则需要专用的“接收器”。接收器的功能不同，其尺寸和价格也不同。小到用在智能手机上的小接收器，大到带有精密的土地测量功能的接收器，可谓是一应俱全。因为接收器是接收无线电波用的，所以还能够把接收器分解成天线，以及解析无线电波的装置。这里就不往深处讲了，不过请大家记住，接收器中装有一台能够知道现在时刻的“时钟”。

GPS 是由不少于24 颗的人造卫星组成的，这些卫星无时无刻都围绕着地球旋转。基础轨道是由24 颗人造卫星负责的，事实上用于GPS 的人造卫星约有30 颗左右，第25 颗及以后的卫星则用于提升可靠性和精确度。

还有一个重要角色大家可不能忘了。那就是从地面上监测卫星状态的“监控站”。监控站是GPS 的一个重要的构成要素，它负责确认轨道，修正卫星时刻的偏差。GPS 原本是美国政府为了军事目的而配备的，当然现在也仍然为美军所用。

要注意的是，GPS 接收器并不会向卫星发射信息，它毕竟只是一台用来接收卫星发来的无线电波的设备。正因如此，不管有多少人使用GPS，也不会出现GPS 被挤爆的现象。

可想而知，如果有24 颗用于GPS 的人造卫星在绕着地球周围旋转，那么有一半都在地球的内侧飞着。而剩下的12 颗中可能有差不多一半刚好在绕地平线飞行。这样一来，通常能观测到的人造卫星最多也只有6 颗左右。

话说回来，在这些卫星发射出的无线电波中，都含有什么样的信息呢？由GPS 人造卫星发射的无线电波与手机和Wi-Fi 一样，都包含刻意生成的数据。下面两条信息尤其重要。

●发射无线电波时的准确时刻
●卫星在宇宙空间中的位置

第一条是准确时刻，这无疑是GPS 最重要的要素。

第二条是卫星的位置。

GPS 定位法

用一句话来概括，GPS 定位就是“寻找球的交点”。

你可以估算出人造卫星所在的轨道离你有多远。这又是怎么一回事儿呢？

GPS 接收器里是内置有“时钟”的。那么人造卫星发出的无线电波里包含着什么样的信息呢？里面包含有“发射无线电波时的准确时刻”，也就是说接收器知道“无线电波从卫星飞过来用了多长时间”。因为用时间乘以速度就可以求出距离，所以，根据无线电波的传播速度（光速：2.99792458×108 m/s）就可以求出接收器与卫星之间的距离。这样一来就可以把你跟接收器的位置缩小为“以卫星为中心画的圆周上的某一处”了

当然光这样是确定不了位置的。大家在智能手机的地图应用和车载导航上应用的GPS 显示的不是“一条线上的某一处”，而是清晰的一个点（尽管可能存在误差）。这里就需要用到“球的交点”这一思路了。

2 颗人造卫星离接收器的距离是各不相同的，所以两个圆的大小（半径）也不同。这两个圆周表示的是你（接收器）可能所在的位置。那么当然，你实际所在的位置就是两个圆周的交点处。因为从
地球上来看，其中一个交点的位置刚好跟人造卫星的位置相反，所以就算有两个交点，也不难判断出哪个才是你的当前位置。

从人造卫星的角度来看，可以推测出接收器的位置在球面的某处。用2 颗人造卫星时，接收器的所在区域就被缩小到两个球相交而成的圆上，如果再加1 颗人造卫星，所在位置就是圆周和球面的交点，其可能范围就缩小到了两处。跟二维平面的例子一样，因为其中一个点位于卫星的另一侧，所以能够判断出哪个交点才是接收器的所在位置。

从上述也就可以知道，接收器和卫星差别很大。人造卫星的时钟显示时刻永远都是精确的，而接收器的时钟却并非如此。这就需要使用多颗卫星的数据进行计算。

从GPS 到GNSS

GPS:Global Position System 全球定位系统

GNSS:Global Navigation Satellite System 全球导航卫星系统

GPS 说到底只是卫星定位系统的名称之一，使用的是美国人造卫星。现在除了GPS，还存在着各种各样的卫星定位系统。这些卫星定位系统的统称是GNSS，其中美国版的系统叫作GPS。

除了GPS 以外，著名的GNSS 还有俄罗斯的GLONASSA

GLONASS 的起源能够追溯到苏联时代。跟美军开发GPS 的目的一样，当时的苏联政府对GLONASS 的定位是：用于导弹制导等方面的具有高精确度的位置测定系统。苏联政府就是基于此定位逐步整顿GLONASS的。相传20 世纪90 年代，苏联已经发射了数量相当多的人造卫星。苏联解体后，GLONASS 就由俄罗斯联邦政府接管。不过因为没能进行充分的维护，GLONASS 失去了它原本的价值。

像这种支持多种GNSS 的情况就叫作“支持GNSS” 或“多重GNSS”。除此之外，还有欧盟的Galileo 和中国的北斗等能在世界范围内使用的卫星定位系统。

事实上现在的很多智能设备都是支持多种gnss协议同时配置的

多种gnss协议的意义在于：

大家手里的智能手机和移动电话上或许已经配备支持多种GNSS 的接收器了。如果装有这种接收器，那么即使只有一颗GPS 卫星在我们的正上方，也有可能通过把这颗卫星跟GLONASS 卫星或Galileo 卫星相结合，来保证卫星的个数在4 颗及以上。