GPS 포지셔닝에 4 개의 위성이 필요한 이유는 무엇입니까?


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GPS 포지셔닝 알고리즘에 대한 질문이 있습니다. 3D 포지셔닝에 대해 읽은 모든 책에서 우리는 네 개의 위성이 필요하며 그 이유를 이해하지 못합니다.

x, y, z의 세 가지 변수를 계산해야합니다. 우리는 위성이 언제 지구로 신호를 보내는 지 알고 있으며 그것을받을 때 PRN 발생기의 이동을 확인하여 신호가 지구로 이동하는 시간을 측정 할 수 있습니다. 어떤 목적을 위해 네 개의 위성이 필요합니까?


x, y 및 z를 계산할 필요는 없습니다. x, y, z 시간 을 계산해야합니다 . 이유는 @starblue 답변을 참조하십시오.
chessofnerd

답변:


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M'vy의 답변 에 추가 할 그래픽 입니다.

에서 Geocommon 의 :

여기에 이미지 설명을 입력하십시오

이것은 첨단 삼각 분할 버전trilateration이라고합니다. 첫 번째 위성은 구의 어딘가에 위치합니다 (그림의 왼쪽 상단). 두 번째 위성은 두 위성 구의 교차점 (오른쪽 상단)으로 생성 된 원으로 위치를 좁 힙니다. 세 번째 위성은 선택을 가능한 두 지점 (왼쪽 아래)으로 줄입니다. 마지막으로, 네 번째 위성은 타이밍 및 위치 수정을 계산하고 나머지 두 지점 중 하나를 사용자의 위치 (오른쪽 아래)로 선택합니다.

최신 정보

RK가 지적했듯이, 이것은 삼각 측량의 형태 가 아닙니다 . GPS가 4 개 이상의 위성을 활용하는 경우에도 GPS가 사용하지 않는 다중 측량 과는 달리 여전히 3 계측을 수행하고 있습니다.

다중 위치 계산3 개 이상의 사이트 에서 비행 시간의 거리 또는 절대 측정 을 사용하는 삼각 계산 또는 절대 각도 측정을 사용하는 삼각 측량 과 혼동해서는 안됩니다 . 이 두 시스템 모두 라디오 내비게이션 시스템과 공통으로 사용됩니다. trilateration은 GPS의 기초입니다.


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멋진 그래픽 +1. 인용 된 텍스트에 문제가 있습니다. 삼각 측량은 첨단 삼각 측량 버전이 아닙니다. 완전히 다른 짐승입니다.
RK

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멋진 그래픽 @kirk
Ragi Yaser Burhum

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기술적으로 당신은 지구의 중심에서 6,371km에 가까운 지점에서 당신이 가정하면 (지상 경계 장치에서만 작동) 4 번째를 떠날 수 있습니다
ratchet freak

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이 답변이 기술적으로 잘못되었다고 생각합니다. GPS가 작동하기 위해 수신기는 위성이 생성하는 것과 동일한 코드를 생성하고 생성 된 코드와 수신 된 코드를 비교하여 시간 차이와 위성으로부터의 거리를 계산합니다. 이것이 작동하려면 TIME을 알아야합니다. (GPS 시간은 매우 정확합니다.) X, Y, Z 및 TIME을 해결하기 때문에 위치를 계산하는 데 필요한 최소 위성 수는 4입니다. 당신은 지구 표면이나 우주에서 모호한 위치를 얻습니다.이 중 하나를 사소하게 무시할 수 있습니다.
Alex Leith

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@AlexLeith와 동의 함. 지금까지이 답변이 여전히 가장 유용하지만 여전히 기술적으로 잘못되었습니다. 정확한 시계가 있다면 위성 3 개만 있으면됩니다. 정확한 시계가없는 경우 네 번째 위성이 필요합니다.
zaTricky

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네 번째 위성이 필요한 주요 이유는 타이밍 수정입니다. 위성의 정확한 위치와 속도를 아는 경우, trilateration은 실제로 2 포인트를 줄 것이지만 일반적으로 불가능하거나 불가능한 속도가 있습니다. 그러나 GPS 수신기는 위성 신호를 수신하는 데 걸리는 시간을 사용하여 위성까지의 거리를 결정합니다. GPS 수신기 시간에 경미한 오류조차도 세 개의 위성 만있는 경우 큰 오류가 발생하여 불확실성이 큰 대역이됩니다.


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한 위성의 각 데이터가 위성 주변의 구체에 놓이기 때문에 네 개의 위성이 필요합니다. 교차점을 계산하여 가능성을 단일 지점으로 좁힐 수 있습니다.

두 개의 위성 교차로가 원을 그리게합니다. (모든 포인트 가능)

세 개의 위성 교차로가 두 개의 가능한 지점에 있습니다.

마지막 위성은 정확한 위치를 알려줍니다.

운전할 때와 같이 이미 고도를 알고있는 경우 네 개의 위성을 사용하지 않아도됩니다.지면을 마지막 교차로로 사용할 수 있습니다. 그러나 지상에 묶여 있지 않기 때문에 비행기 에서이 작업을 수행 할 수는 없습니다.


지면의 높이는 극단적 인 경우에 비행기만큼이나 높이가 다르므로지면의 고도는 어떻게 알려져 있습니까?
jk.

@jk GPS 장치에 운전 맵이 있으면 두 가지 솔루션 근처에있는지면 수준을 알 수 있습니다. 하나는 분명히 다른 것보다 낫습니다.
M'vy

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이것은 잘못이다. 타이밍에는 네 번째 위성이 필요합니다. 휴대 전화에는 GPS 작동에 필요한 원자 정확도를 갖춘 온보드 시계가 없습니다. 네 번째 위성을 사용하면 x, y, z 및 t에 대한 선형 방정식 세트를 동시에 단독화할 수 있습니다. 지구 표면에 있다고 가정하면 구 / 위치 예제가 잘못된 경우 비트를 방정식에서 제거 할 수 있다고 가정합니다.
chessofnerd

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실제로 위성에서 시간 x, y, z 및 t의 네 가지 좌표를 결정해야합니다.

시계가 너무 정확하지 않아 장치 내부에서 시계를 사용할 수 없습니다. 석영 크리스탈에 의해 생성되는 반면, 몇 미터의 원하는 정밀도를 위해서는 위성에 사용되는 것과 같은 원자 시계가 필요합니다.


3D 위치를 결정하려면 거리가 지정된 경우 평면에서 세 번째 점을 결정하는 데 최소한 3 개의 점이 필요한 것과 같은 방법으로 위성이 4 개 필요합니다. 위치가 결정되면 시간을 결정하기 위해 하나의 위성 만 필요합니다.
naught101

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@starblue가 암시 하듯이 시간이 없으면 위치 결정할 수 없으므로 논리가 역전됩니다.
zaTricky

예, 위성이 서로에 대해 관심 지점으로 이동하고 전송이 '동시'가 아니기 때문에 위치 좌표와 동시에 시간을 해결해야합니다.
Dave X

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>> 3 위성 이면 충분합니다


글로벌 포지셔닝 시스템 (들)은 '지구 중심의 지구 고정 xyz 3D 직교 좌표 시스템'을 가정 합니다. 이 3D 공간의 모든 위치는 3 개 이하의 구성 요소를 완전히 식별해야합니다. 따라서 3 개의 거리 측정으로 구한 3 개의 구가 서로 다른 두 점에서 교차하더라도 GPS 시스템이 가정 하는 [ 지구 중심 + 지구 고정 ] 특성 으로 인해이 점 중 하나가 쓸모 없게됩니다 . 우리는 지구 대기권 아래 위치에 관심 이 있습니다. 3 개의 위성을 사용하여 '완벽한'수신기 클럭 (고가의 원자 / 광학 클럭 포함)으로 3 개의 위치 치수를 결정할 수 있습니다.

! YES !, 당신은 얻을 수 있었다! 사용중인 GPS 수신기에 원자 시계가 장착 된 경우 3 개의 위성이있는 3D 위치 수정. (두 번째 점의 제거는, 위의 그림의 왼쪽 아래 그림에, "직관적"이 깊은 공간 어딘가에 해당로 이루어집니다. 이 때문에 , 왜 위성이 특정 별자리 (~ 자신의 설정에 있습니다 GPS 이유가있다 하늘 위) : !! 이상 24 GPS 위성, ~ 20,000kms 위의 6 개의 궤도면, 각 평면에 4 개의 위성,이 평면들 사이의 60도, 적도면과 관련하여 55도 경사, GIVES YOU 당신이 지구에 (거의) 모든 장소에서 "연결"할 수 있습니다 5-8 위성 3 개 위성의 3D 위치 FIX 제공하기 위해 지구 ON을. 우리가 지구의 "내부 및 외부"물체를 찾는 것에 대해 이야기하고 있다면, 그렇습니다. 마지막 단계에서 두 개의 가능한 교차점 중 하나를 제거하려면 적어도 하나 이상의 위성이 필요합니다. 이것은 질문이 아니 었습니까?

실제로 GPS 수신기에 고가의 시계를 배치하는 것은 거의 불가능하고 실현 가능하지 않으며 대신 특정 높이 (예 : z 치수) 측정이 추정됩니다. 따라서 원래 필요했던 4 가지 중 1 차원 측정을 제거 할 수 있습니다. 가정 된 높이는 해수면 또는 (일반적으로) 고도계 장착 항공기의 고도 일 수 있습니다.

버리는 것으로 선택되는 높이 치수입니다. 이는 상대적으로 가장 중요하지 않기 때문에 버려집니다. 4 가지의 필요한 치수 측정 (x, y, z, 시간) 중에서, 위성 신호 (전자파)가 광속으로 이동하고 ~ 0.07 원 자초 내에 수신기에 도달하기 때문에 시간은 항상 해결되어야한다. 따라서 GPS 수신기의 상대적으로 저렴한 내부 클록에서 약간의 부정확성은 신호가 극한의 광속으로 이동하는 것으로 가정되는 추가 거리로 인해 "매우 잘못된"위치 고정을 제공 할 것입니다. 그리고 다른 두 차원은 GPS 수신기를 지구 표면의 일부 (경도, 위도) 쌍에 배치합니다.

4 개 이상의 위성이 추가 '시차 쌍'을 도입하여 더 나은 정확도를 제공합니다. 4 차원 요구 사항은 여전히 ​​남아 있지만 독립 방정식의 수는 4를 초과하여 증가합니다. 이로 인해 여러 해를 가진 방정식 시스템이 과도하게 결정됩니다. 과도하게 결정된 시스템은 대략적인 것입니다! 숫자 방법 (예 : 최소 제곱) 이 경우 최소 제곱 법은 오차 제곱의 합을 최소화하여 모든 시간 측정 (추가 치수 포함)에 가장 적합한 위치 (GPS 수신기)를 제공합니다.


(1) 글로벌 포지셔닝 시스템 개요, Peter H. Dana, 1994 년 오스틴 텍사스 대학교 지리학과
http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps_f.html
(마스터 GPS 제어 시설은 콜로라도, Schriever 공군 기지에 위치하고 있습니다)

(2) GPS를 이용한 위치 결정, Dr. Anja Koehne, Michael Wößner, Öko-Institut (응용 생명 연구소), 독일 프라이 부르크 임 브리스 가우
http://www.kowoma.de/en/gps/positioning.htm

(3) GPS에 대한 결정되지 않은 선형 시스템, Dan Kalman
https://www.maa.org/sites/default/files/pdf/upload_library/22/Polya/Kalman.pdf

(4) 화려한 삽화를 위해
http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gif/figure09.gif
http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gif/ ecefxyz.gif
http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gif/gpsxyz.gif
http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gif/navigate.gif



>> 부정확


" 네 개의 구면은 일반적으로 교차하지 않습니다.이 때문에 교차 방정식을 찾기 위해 항법 방정식을 풀 때이 솔루션은 정확한 시간과 함께 수신기의 위치를 ​​제공하므로 매우 큰 필요가 없어집니다. , 비싸고 전력이 부족한 시계입니다. "
http://en.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System#Basic_concept_of_GPS

측정 값이 정확하지 않기 때문에 "일반적으로"라고 표시됩니다. 그렇지 않으면 정확히 한 지점 에서 교차 합니다. 4 개의 위성에서 4 개의 부정확 한 거리 측정 값을 얻습니다. 위성은 원자 시계를 사용하기 때문에 원자력 시계를 사용하기 때문에 (4 개의 측정 값 모두에서 동일하지 않음) GPS 시계 표시와 관련하여 정확하고 GPS 시간 눈금에 대해 정확하게 측정합니다. 또한 측정에서의 부정확 한 시계도 동일하게 유지됩니다 하나의 특정 GPS 수신기에 대해 이야기하고 있기 때문입니다. 측정에서 정확하고 부정확 한 클럭과 부정확성이 일정하기 때문에 4 개의 구의 교차 볼륨을 단일 교차 지점으로 줄이는 보정 값은 하나만있을 수 있습니다. 이 값은 부정확 한 시간을 나타냅니다.


(5) UTC 시계는 현재 GPS 시계보다 16 초 뒤입니다 (2012-11-14).
http://www.leapsecond.com/java/gpsclock.htm

(6) GPS 수신기 잠금 방법, Thomas A. Clark, NASA의 Goddard 우주 비행 센터
http://gpsinformation.net/main/gpslock.htm

(7) Radio Controlled Clock은 얼마나 정확합니까?, Michael A Lombardi, Maryland NIST 시간 및 주파수 부서
http://tf.nist.gov/general/pdf/2429.pdf


이러한 설명에 감사드립니다. 우리 사이트에 오신 것을 환영합니다! (BTW, 하나 이상의 제곱 법은 gis.stackexchange.com/a/40678 의 답장에 설명되어 있으며 설명되어 있습니다. 컨텍스트는 2D 포지셔닝이지만 솔루션은 여러 치수에 적용됩니다.)
whuber

와. 미친 서식과 대문자를 제거하면이 답변의 가독성이 크게 향상됩니다. 나는 그것을 직접 시도하는 것이 조금 무서워 ..
naught101

yo >> ur! 답변! I $ * very # difFicul! t0 읽기 ...
Mehrdad


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"교차하는 구체"에 대한이 모든 이야기는 사실 일 수 없습니다. 이유는 다음과 같습니다.

  1. 하나의 위성에서 신호를 수신하면 해당 정보가 메시지로 전송되어 전송 된 시간과 정확한 시간이 어디인지 알 수 있습니다. GPS 시스템에서 모든 원자 시계는 지상에서 제어 신호를 통해 + 3 나노초의 정확도까지 동기화 상태를 유지합니다. 그러나 현지 시간이 다르기 때문에 위성까지의 거리, 따라서 구를 계산할 수 없습니다. 빛이 초당 299,792,458 미터로 이동하기 때문에 현지 시간이 위성 시간과 1 밀리 초 만 맞지 않는 경우 약 300km의 거리 오류가 발생합니다!
  2. 두 개의 위성을 사용하면 두 메시지의 전송 시간과 현지 시간의 차이를 계산하여 두 위성의 상대 거리를 계산할 수 있습니다. 따라서 3 차원에서 쌍곡선을 따라 위치를 플롯 할 수 있습니다 . 쌍곡선의 표면은 두 시간 차이가 의미가있는 공간의 모든 위치와 가능한 위치를 나타냅니다.
  3. 세 개의 위성으로 두 쌍곡선을 계산할 수 있습니다. 그들의 교차점은 쌍곡선입니다. 당신은 그것을 따라 어디든지 될 수 있습니다.
  4. 4 개의 위성을 사용하면 3 개의 쌍곡선의 교차점을 계산하고 공간에서의 위치를 ​​유도하여 대기 지연의 영향을 줄일 수 있습니다.

대기 지연을 고려하려면 동일한 위성에서 다른 주파수로 전송 된 두 신호의 지연을 비교하거나 두 개의 다른 위치에서 본 동일한 신호의 판독 값 ( "차동 GPS")을 비교해야합니다. 최신 GPS 시스템은 L1 및 L2 주파수에서 두 개의 암호화 된 군사 신호를 상관시켜이 정보를 얻습니다.


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귀하의 진술을 이해하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 명세서의 All this talk of "intersecting spheres" cannot possibly be true어느 부분에 문제가 있습니까? 구 부분? 또는 다른 것?
Devdatta Tengshe

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일부 답변은 가깝지만 완전히 명확하지는 않습니다.

저는 90 년대 초 영국 남서부에서 최초의 비 군사 차등 GPS 방송국을 개발하는 데 2 ​​년을 보냈던 3 인 팀의 일원 이었지만 몇 가지 특별한 질문을 받았습니다. 3 또는 4가 그들 중 하나입니다.

이를 설명하기 위해서는 지상파 무선 항법 시스템으로 시작하는 것이 가장 좋습니다. 해변의 고정 된 알려진 지점 (1 번 스테이션)에서 신호 하나를 가져와 해상 선박에서 신호를 보냅니다. 선박은 빔이 얼마나 오랫동안 이동했는지와 스테이션 # 1의 정확한 위치를 알고 있습니다. 빔이 고정 점을 떠난 시간이 전송 된 신호에 각인되기 때문에이를 알고 있습니다. 따라서 'B'초)-따라서 전파의 빛의 속도 (C)를 고려할 때 선박은 스테이션 # 1에서 (BA) XC 여야합니다.이 답변은 Range1입니다.

'A'초 동시에 신호를 시작한 다른 알려진 지점 인 Station2를 사용하십시오. 그러나 Station2는 Range2를 제공하는 다른 알려진 지점에 있습니다. Range2에서 당신은 당신의 배가 Range1을 따라 있다는 것을 알고 있습니다.

세 번째 스테이션과 동일한 작업을 수행하면 세 가지 범위가 모두 교차됩니다. 그러나 그들은 완벽하게 교차하지 않습니다 ... 이제까지!

이것은 모든 전파에 영향을 미치는 대기, 간섭, 전파 지연 때문입니다. 3 개 범위의 교차점은 2 차원 평면 (X 및 Y-LAT AND LON 또는 Northing and Easting)에서 오류 삼각형 (따라서 삼각 분할)을 제공합니다. 이제 고도 (H)를 얻으려면 네 번째 범위 (추정 범위-Range4)가 필요합니다.이 범위는 XY 및 Z-LAT LON 및 높이의 3 차원 위치를 제공합니다.

이제 모든 스테이션을 가져 와서 GPS로 우주에 고정시키고 우주선이 4면 3D 오류 삼각형의 어딘가에 위치하고 있으며 모든면에서 약간 구부러져 있습니다.


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답은 여기에 있습니다. (2D에서는 3 쌍의 쌍곡선 (3 위성)이 필요합니다. 3 쌍의 쌍곡선 (4 위성)이 필요합니다. Desmond Schmidt가 맞습니다)

http://hayabusa.slovakforum.net/t263-topic#2570

... 슬로바키아어 언어로 죄송합니다 (내 영어가 잘못되었습니다). 그림과 작은 계산으로 모든 것을 설명합니다. Google 번역기를 사용할 수 있습니다.


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