全球定位系统(GPS)是“授时、测距导航系统／全球定位系统(Navigation systerm Timing and Ranging／Global Positioning System)的简称。该系统是由美国国防部于1973年组织研制，主要为军事导航与定位服务的系统。历经20年，耗资300亿美元，于1993年建设成功。GPS是利用卫星发射的无线电信号进行导航定位，具有全球性、全天候、高精度、快速实时三维导航、定位、测速和授时功能，以及良好的保密性和抗干扰性。它已成为美国导航技术现代化的重要标志，被称为本世纪继阿波罗登月、航天飞机之后又一重大航天技术。

全球有四大卫星定位系统分别是：中国北斗卫星导航系统（BDS）、美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GNSS）和欧盟研制伽利略卫星导航系统（GSNS）。

在自动驾驶领域，北斗、GPS高精度定位涉及到五个必要的时空因素：北斗、GPS卫星、高精度地图、全疆域通讯网络覆盖、定位基站、移动端接收机。目前，北斗、GPS定位配合高精度地图，是各类自动驾驶的发展方向。其中，高精地图相当于人类大脑记忆中的路线，也就是对大脑中物理空间的记忆，北斗、GPS定位相当于人类对空间位置和时空判断的感知，通过二者结合可以得知去哪里、怎么去。

本章内容将科普讲解下卫星定位系统最基本的工作原理。

GPS的定位原理并不难，其实就是三角定位法。简单来说，就是通过在不同的位置测量卫星和接收器之间的距离，从而确定接收器的位置。这么说有点抽象，我们通过下图简单三角几何解释定位可能就比较清楚了。

a、如果只有一颗卫星测出来的距离做参考，则所在位置可以是红圈内的任意一点；

b、如果有两颗卫星所测出的距离做参数，则在所在位置可以是红、蓝两个圈上的相交的两点其中一点，可以是P，或是X;

c、一旦有齐三颗卫星所测出来的距离做参数时，大家就可看出如何可锁定所在位置P了

简单三角几何解释GPS定位原理

卫星测距实施的是“到达时间差”（时延）的概念：利用每一颗GPS卫星的精确位置和连续发送的星上原子钟生成的导航信息获得从卫星至接收机的到达时间差。

GPS卫星在空中连续发送带有时间和位置信息的无线电信号，供GPS接收机接收。由于传输的距离因素，接收机接收到信号的时刻要比卫星发送信号的时刻延迟，通常称之为时延，因此，也可以通过时延来确定距离。卫星和接收机同时产生同样的伪随机码，一旦两个码实现时间同步，接收机便能测定时延；将时延乘上光速(也就是d=C(Tx-T),其中c表示为光速)，便能得到距离。图中显示了GPS系统的时延原理。

通过测量从GPS卫星发射的原始载波相位到待测设备接收的载波相位之差，得到载波传输距离。和测试伪距原理一样计算待测点和卫星之间的距离，利用多个方程式计算待测点XYZ坐标。

测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。

公式看起来有点费劲,我们就简单来理解,我们还是从坐标系的位置说起,正常情况下需要知道笛卡尔坐标系下的(XY,z)个坐标分量,同时还有一个时间t0的分量,那么这样算起来就有四个未知数,学过数学咱们都知道,四个未知数,至少需要4个方程才能解出来,那么就至少需要4颗卫星才能组成4个方程。

注：已知位置的卫星，三维空间中，每一颗卫星对应一个三维坐标(X，Y，Z)，而各个卫星的xyz坐标为已知数

下面是接收机在搜到不同卫星数量的时候可以做的工作,在搜到1颗卫星的时候就可以更新时和日期了,但是要实现经纬度和高度的定位至少也是需要4颗卫星以上才能有海拔信息的输出。

这个公式不太好理解，在知乎上看到了作者“矿泉水”的文章，感觉他的推理可能会更好理解一下，如下是知乎作者“矿泉水”的原文：

其实GPS除了可以定位，还可以授时，也就是告诉你准确的时间，准确的定位与时间有密不可分的联系。

比如我们这里有一个带有GPS的无人机，假设我们不知道这个无人机的空间坐标XYZ，也不知道它的时间坐标T。

但是我们可以从卫星这里接收一些信息，也就是卫星的星历，星历里面有卫星自己准确的空间坐标X1 Y1 Z1，同时也有一个准确的时间T1，因为卫星有原子钟。卫星会把这些信息发送给GPS接收机。

坐标和时间其实是有一定的联系的，通过坐标和时间我们都可以算出GPS接收机与卫星之间的距离。

也就是下图蓝线的长度，通过坐标计算距离就是用勾股定理，无人机到卫星距离的平方=Y-Y1的平方加上这条绿线的长度的平方，绿线长度的平方又等于X-X1的平方加上Z-Z1的平方，所以无人机到卫星的距离等于右面的式子开平方。

我们再用时间来求出无人机到卫星的距离，就是信号传输的速度乘以信号传输的时间，也就是光速3⨉10^8再乘以T-T1。

我们通过这两种方式算出的距离，实际上它们是相等的，所以我们会得到这个方程：

那这个方程里，有4个未知数XYZ和T，通过这一个方程我们是不能解出这4个未知数的。所以我们需要4个这样的方程才可以解出XYZ和T。所以我们再接收3个卫星的数据，我们就可以和到另外3个方程，最终我们就可以解出XYZ和T。

所以GPS接收机至少要通过4颗卫星，才能确定自己的空间坐标和时间坐标。

用3颗卫星确实可以计算出X,Y,Z的坐标，也就是目标位置，但是这跟实际位置误差会很大；位置坐标为空间坐标，三个未知数X,Y,Z确实只需要三科卫星，建立三个观测方程就可以算出接收机的位置，但是由于光速太快，微小的时间差，也就是接收机与卫星的时间差就会引起巨大的定位误差，所以为了提高精度，观测四颗卫星，可以解决时间差的问题，解决定位精度，总结，三颗就可以算出位置，四颗算出来的更精确

再简单点理解，根据公式d=C(T-Tx)，其中C为光速3⨉10^8，光速基数很大，如果卫星与接收机的时间不同步，时间的误差比较大，那么位置坐标计算出来的实际误差也会非常大，造成定位不精准。

如果计时器误差超过干分之一秒,以无线电传送的速度来说就会产生近200海里的误差,所以在卫星上的计时装置都搭载了原子钟,而根据实验的数据显示,原子中的误差大约每140万年才差1秒。反过来看,地面上的接收器就不需要像原子钟那么精确,这个关键技术就在于利用第四颗卫星来校正计时误差,问题在于每颗原子钟的成本超过10万美金以上,能省则省吧。

通过下图所知，高度h=A-Z，Z通过坐标解析是已知的，那么如何确认A点高度；我们知道A点与卫星在空间上是处于同一水平面的，并且计算物体高度时是以参考地球表面垂直方向的距离，那么A点距离地球表面垂直高度可以认为是卫星距离地球表面的垂直高度，一般卫星的高度我们是知道的（如GPS卫星离地面是20200公里），那么接收机离地面的高度也就确认了。

注：不知道高度这么理解对不对，欢迎大神们指导指正

GPS介绍(一)—基本工作原理 - 知乎 (zhihu.com)