知道距离,不等于知道方向
想象有人告诉你:你离一座灯塔正好 3 公里。只凭这条信息,你可能站在以灯塔为圆心的一整圈位置上。增加第二座灯塔的距离,可能位置缩小到两个交点。再加入独立的距离信息,歧义才有机会消除。
在二维实验里,每个信号源周围的圆就是这样的约束。拖动一个信号源,距离会随真实位置重新计算。圆的大小和交会角度都变了,但它们仍在为同一个位置提供线索。
GPS 不是靠卫星“看见”手机。卫星广播自身位置与时间信息,接收机根据这些信息估计信号飞行时间,再利用传播速度把时间换算为距离。你的位置,是接收机在本地算出来的。
但接收机没有与卫星同样精确的时钟。它量到的时间包含自身时钟偏差,于是测得的是带偏差的“伪距”,而不是完美的几何距离。
给每段距离都加一点误差
- 给距离加入一点时钟误差,看看圆是否还交在同一处。
- 开启时钟误差求解,比较计算点怎样改变。
- 减少信号源,或让它们挤在相近方向,观察为什么“有信号”仍可能不够。
把时间写进距离方程
进一步操作与数值核对
保持二维模式,把时钟误差的等效距离设为 20,再关闭“同时求解接收机时钟误差”。圆不再准确交于真实位置。计算点会试着在相互冲突的约束之间找一个折中。
重新打开时钟求解。模型现在把共同的偏差作为一个未知量,与位置一起寻找。尝试减少信号源,看看何时会提示约束不足。
二维位置需要两个坐标,加上一个共同的时钟偏差,便有三个未知量。切换到三维,位置需要 x、y、z 三个坐标,再加时钟偏差,一般至少需要四个独立伪距约束。
“第四颗卫星只负责时间”是一种方便记忆但不够准确的说法。实际上,各颗卫星提供的观测一起参与位置和时钟误差的求解。
在三维视图里,旋转场景,看看圆如何变成球面约束。再调整卫星高度。好的数量不等于好的几何分布;信号源挤在相近方向时,求解会对误差更敏感。
展开:伪距方程里有哪些未知量?
对第 i 个信号源,最简化的关系是:
ρᵢ 是测得的伪距,b 是接收机时钟误差乘光速后的等效距离。本实验把所有量放在教学坐标系中,使用局部最小二乘迭代,同时调整坐标和 b,让预测伪距接近观测值。
约束数量足够只是必要条件。重复或退化的几何关系可能无法提供独立信息;非线性方程也可能存在多解或收敛问题。界面在无法确定时会保留“不确定”的结果。
展开:真实定位还要处理哪些问题?
真实系统需要处理卫星轨道与时钟修正、电离层和对流层影响、信号反射、多径以及相对论效应。手机还可能结合多个卫星导航系统和其他传感器。这里隔离出最核心的几何与共同时间偏差,不模拟真实轨道,也不读取你的位置。