GPS

GPS，全称全球定位系统（Global Positioning System），是以空间为基地的无线电导航系统。在全世界范围内提供不间断的定位、导航和定时服务。GPS由三部分组成：环绕地球飞行的卫星；地面上设立的监控站；以及用户拥有的接收器如智能手机等。

GPS卫星从空间发射可由手机收到和识别的信号，包含卫星当前的位置坐标信息，以及由原子钟和相对论效应校正过的GPS卫星自身精确时间。假定卫星和手机两者时间是精确同步的，收到卫星传来的信号后，手机用自己的时间减去信号中携带的发射时间，再乘以电磁波的理想传输速度即光速，即可算出手机和卫星之间的距离。

由于卫星的位置精确可知，我们在前面已经得到卫星到手机的距离，利用三维坐标中的距离公式和3颗卫星的坐标，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。不过这个结论是假定处在每颗卫星都是和手机时间基准精确同步的理想状况下。实际情况中，必须增加第四颗卫星以校准时间。目前共有31颗GPS卫星在离地面20200公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。

L1单频GPS

前面提到过，GPS定位的关键是要获得手机和卫星之间的距离。而要计算距离，必须知道信号传播时间，这一数据由手机计算得出，关键就在于GPS信号中发射后到达手机需要的时间是多少。

L1频段GPS信号精度有限

如果只使用L1频段1575.42MHz的GPS信号定位，它带宽较小只有1MHz，一个最小周期的传输时间是1/106s=1μs，乘以光速就是300米。如果把L1频段的GPS信号比作一把用来测量卫星到手机距离的尺子，它的“最小刻度”就是300米，也就是单颗L1频段卫星理论的测距误差范围。无论空旷开阔地带还是高楼林立的都市，L1频段的这一局限性都会造成定位不准。

L1频段GPS信号易受反射干扰

在建筑众多的场景，城市或湖泊等水边进行定位时，金属、水面、玻璃等均是GPS信号良好的反射体。在以上场景中手机除了从GPS卫星发射后经直线传播的信号外，还会接收到一个或多个经过周围地形反射后的信号。手机接收的多个信号会叠加起来，导致距离最短的直射信号变得不明显，从而降低了卫星和手机之间距离计算的准确度，严重时甚至会导致卫星信号失踪。

可以看到，下图当中由于L1频段信号的精度为300米，导致直射信号与反射信号叠在一起，手机会认为实际收到的是灰色的叠加信号，造成定位偏差。

L1频段GPS信号易受电离层影响

而在空旷地带，定位不准的主要原因则是大气中电离层导致的GPS信号折射，从而增加传输时间。大气中电离层在太阳光的照射下充满了离子和电子，对GPS信号这种电磁波的影响严重。研究发现，电离层造成的折射效应与信号带宽的平方成反比，也就是说，带宽越低，电离层造成的影响越大。

双频GPS功能

双频GPS功能，可以同时利用L1和L5两个频段的GPS信号进行定位。L5频段的GPS信号相比L1频段编码更加复杂，手机和卫星两方都需要更高成本。此前，L5频段多用于对精度有高要求的工业用途，比如石油和天然气勘探、航空安全行业。

L5频段GPS

L5频段GPS信号精度更高

由于L5即1176.45MHz频段GPS信号的带宽高达10MHz，是L1频段的10倍，最小周期传输时间为0.1μs，L5单颗卫星定位测距误差也随之降至30米。

L5频段GPS信号不易受反射干扰

因此，在高楼大厦等反射干扰影响严重的场景中，高频的L5频段信号直射和反射更难叠加，从而降低对定位精度的影响。如下图所示，蓝色和紫色的反射信号难以影响绿色的直射信号。

L1、L5双频对照可消除电离层影响

至于电离层造成的折射影响，L5频段的带宽是L1频段的10倍，根据之前电离层带来的误差与带宽平方成反比计算，L5频段GPS信号受到电离层的影响是L1频段的百分之一。另外，由于电离层对L1、L5两个频段信号的影响不同，双频GPS设备可以不依赖于其他因素，通过对比两路信号的延迟，用计算来消除电离层带来的误差，将GPS定位精度进一步提高。