一、簡介
全球定位系統(GPS)是“授時、測距導航系統／全球定位系統(Navigation systerm Timing and Ranging／Global Positioning System)的簡稱。該系統是由美國國防部於1973年組織研制，主要為軍事導航與定位服務的系統。歷經20年，耗資300億美元，於1993年建設成功。GPS是利用衛星發射的無線電信號進行導航定位，具有全球性、全天候、高精度、快速實時三維導航、定位、測速和授時功能，以及良好的保密性和抗幹擾性。它已成為美國導航技術現代化的重要標志，被稱為本世紀繼阿波羅登月、航天飛機之後又一重大航天技術。
全球有四大衛星定位系統分別是：中國北鬥衛星導航系統（BDS）、美國全球定位系統（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統（GNSS）和歐盟研制伽利略衛星導航系統（GSNS）。
在自動駕駛領域，北鬥、GPS高精度定位涉及到五個必要的時空因素：北鬥、GPS衛星、高精度地圖、全疆域通訊網絡覆蓋、定位基站、移動端接收機。目前，北鬥、GPS定位配合高精度地圖，是各類自動駕駛的發展方向。其中，高精地圖相當於人類大腦記憶中的路線，也就是對大腦中物理空間的記憶，北鬥、GPS定位相當於人類對空間位置和時空判斷的感知，通過二者結合可以得知去哪裡、怎麼去。
本章內容將科普講解下衛星定位系統最基本的工作原理。
二、衛星定位基本工作原理
GPS的定位原理並不難，其實就是三角定位法。簡單來說，就是通過在不同的位置測量衛星和接收器之間的距離，從而確定接收器的位置。這麼說有點抽象，我們通過下圖簡單三角幾何解釋定位可能就比較清楚瞭。
a、如果隻有一顆衛星測出來的距離做參考，則所在位置可以是紅圈內的任意一點；
b、如果有兩顆衛星所測出的距離做參數，則在所在位置可以是紅、藍兩個圈上的相交的兩點其中一點，可以是P，或是X;
c、一旦有齊三顆衛星所測出來的距離做參數時，大傢就可看出如何可鎖定所在位置P瞭
簡單三角幾何解釋GPS定位原理
三、衛星與待測點直接的距離計算方法
3.1 偽距測量原理
衛星測距實施的是“到達時間差”（時延）的概念：利用每一顆GPS衛星的精確位置和連續發送的星上原子鐘生成的導航信息獲得從衛星至接收機的到達時間差。
GPS衛星在空中連續發送帶有時間和位置信息的無線電信號，供GPS接收機接收。由於傳輸的距離因素，接收機接收到信號的時刻要比衛星發送信號的時刻延遲，通常稱之為時延，因此，也可以通過時延來確定距離。衛星和接收機同時產生同樣的偽隨機碼，一旦兩個碼實現時間同步，接收機便能測定時延；將時延乘上光速(也就是d=C(Tx-T),其中c表示為光速)，便能得到距離。圖中顯示瞭GPS系統的時延原理。
3.2 載波相位測量
通過測量從GPS衛星發射的原始載波相位到待測設備接收的載波相位之差，得到載波傳輸距離。和測試偽距原理一樣計算待測點和衛星之間的距離，利用多個方程式計算待測點XYZ坐標。
四、接收機位置解析原理
測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離,然後綜合多顆衛星的數據就可知道接收機的具體位置。
公式看起來有點費勁,我們就簡單來理解,我們還是從坐標系的位置說起,正常情況下需要知道笛卡爾坐標系下的(XY,z)個坐標分量,同時還有一個時間t0的分量,那麼這樣算起來就有四個未知數,學過數學咱們都知道,四個未知數,至少需要4個方程才能解出來,那麼就至少需要4顆衛星才能組成4個方程。
註：已知位置的衛星，三維空間中，每一顆衛星對應一個三維坐標(X，Y，Z)，而各個衛星的xyz坐標為已知數
下面是接收機在搜到不同衛星數量的時候可以做的工作,在搜到1顆衛星的時候就可以更新時和日期瞭,但是要實現經緯度和高度的定位至少也是需要4顆衛星以上才能有海拔信息的輸出。
這個公式不太好理解，在知乎上看到瞭作者“礦泉水”的文章，感覺他的推理可能會更好理解一下，如下是知乎作者“礦泉水”的原文：
其實GPS除瞭可以定位，還可以授時，也就是告訴你準確的時間，準確的定位與時間有密不可分的聯系。
比如我們這裡有一個帶有GPS的無人機，假設我們不知道這個無人機的空間坐標XYZ，也不知道它的時間坐標T。
但是我們可以從衛星這裡接收一些信息，也就是衛星的星歷，星歷裡面有衛星自己準確的空間坐標X1 Y1 Z1，同時也有一個準確的時間T1，因為衛星有原子鐘。衛星會把這些信息發送給GPS接收機。
坐標和時間其實是有一定的聯系的，通過坐標和時間我們都可以算出GPS接收機與衛星之間的距離。
也就是下圖藍線的長度，通過坐標計算距離就是用勾股定理，無人機到衛星距離的平方=Y-Y1的平方加上這條綠線的長度的平方，綠線長度的平方又等於X-X1的平方加上Z-Z1的平方，所以無人機到衛星的距離等於右面的式子開平方。
我們再用時間來求出無人機到衛星的距離，就是信號傳輸的速度乘以信號傳輸的時間，也就是光速3⨉10^8再乘以T-T1。
我們通過這兩種方式算出的距離，實際上它們是相等的，所以我們會得到這個方程：
那這個方程裡，有4個未知數XYZ和T，通過這一個方程我們是不能解出這4個未知數的。所以我們需要4個這樣的方程才可以解出XYZ和T。所以我們再接收3個衛星的數據，我們就可以和到另外3個方程，最終我們就可以解出XYZ和T。
所以GPS接收機至少要通過4顆衛星，才能確定自己的空間坐標和時間坐標。
五、疑問
5.1 前面第二部分講原理的時候提到瞭用三角定位法就能定位到X,Y,Z的坐標，那為什麼還要引入時間T用4個衛星進行定位，用3顆衛星不就行瞭？
用3顆衛星確實可以計算出X,Y,Z的坐標，也就是目標位置，但是這跟實際位置誤差會很大；位置坐標為空間坐標，三個未知數X,Y,Z確實隻需要三科衛星，建立三個觀測方程就可以算出接收機的位置，但是由於光速太快，微小的時間差，也就是接收機與衛星的時間差就會引起巨大的定位誤差，所以為瞭提高精度，觀測四顆衛星，可以解決時間差的問題，解決定位精度，總結，三顆就可以算出位置，四顆算出來的更精確
再簡單點理解，根據公式d=C(T-Tx)，其中C為光速3⨉10^8，光速基數很大，如果衛星與接收機的時間不同步，時間的誤差比較大，那麼位置坐標計算出來的實際誤差也會非常大，造成定位不精準。
如果計時器誤差超過幹分之一秒,以無線電傳送的速度來說就會產生近200海裡的誤差,所以在衛星上的計時裝置都搭載瞭原子鐘,而根據實驗的數據顯示,原子中的誤差大約每140萬年才差1秒。反過來看,地面上的接收器就不需要像原子鐘那麼精確,這個關鍵技術就在於利用第四顆衛星來校正計時誤差,問題在於每顆原子鐘的成本超過10萬美金以上,能省則省吧。
5.2 接收機位置的高度h是如何確認的？
通過下圖所知，高度h=A-Z，Z通過坐標解析是已知的，那麼如何確認A點高度；我們知道A點與衛星在空間上是處於同一水平面的，並且計算物體高度時是以參考地球表面垂直方向的距離，那麼A點距離地球表面垂直高度可以認為是衛星距離地球表面的垂直高度，一般衛星的高度我們是知道的（如GPS衛星離地面是20200公裡），那麼接收機離地面的高度也就確認瞭。
註：不知道高度這麼理解對不對，歡迎大神們指導指正
