只要用到绝对时空观,结合欧式几何和解方程组的知识来推导卫星导航的定位计算公式和方法,与卫星的运行轨道是什么形状没有关系。
如下图:先有4个稳定的信号源(红色圆点)给出位置、时间的报文信息,然后通过这些来计算接收机(蓝色圆点)的位置和时间。
接收机的位置、时间都不确定,用四个变量来表示(x, y, z, t),这里的(x, y, z)是以地心为原点建立的三维坐标系,t是地球的标准时间,
接收机为了确定位置,就需要接收4个以上独立信号源的时间信号,以便计算信号的行程时间Δt1 ~Δt4
这样4个方程构成了非线性方程组,求解该方程组,可以用泰勒公式将根函数线性化,这里展开第一级的公式为:
为了将4个方程线性化,先引入一个估算值,使用估算位置x' ,y' 和z' ,而不是直接计算x,y和z ,由于是估算位置,所以和x,y,z之间产生的误差是Δx,Δy和Δz,即有:
x=x’+Δx
y=y’+Δy
z=z’+Δz
计算真实位置与估算位置之间的距离R':
然后根据泰勒公式展开第一级:
经过偏微分后得到结果:
用i=1~4进行代换后,就可根据线性代数法则解出这4个变量Δx,Δy,Δz和Δt0 :
推出迭代计算公式:
用Δx,Δy和Δz的解重新计算估算位置x’ ,y’ 和z’,令:
x’=x’+Δx
x’=y’+Δy
z’=z’+Δz
通过标准迭代处理将估算x’ ,y’ 和z’再次代入方程组,直至误差分量Δx,Δy和Δz小于所要求的误差,就可以求出真实的位置,而最后求解的Δt0计算值就对应于接收机的时间误差,可用来调整接收机时钟。
解释了4个稳定信号源如何用来给接收机计算位置和时间后,就可以回答以下问题了:
1、卫星如何获得自己的位置和时间
在牛顿时空观的基础上,卫星并不需要关心自己时钟的走时快慢问题,欧式几何的距离公式以及方程组对于任何形状的卫星运行轨道都适用,所以卫星只要同时接收到4个地面基站广播的报文(包括位置和时间),就可以计算出自己的位置和时间了,地面基站由于相对地球静止,所以这些基站广播出来的时间不存在同步的问题,位置通过传统的技术也可以精确测量,与相对论没有关系。
2、地面接收机如何根据卫星的报文获得自己的位置和时间
卫星广播出来的自己的位置和时间,是根据地面基站的报文计算出来的,这个计算出来的位置是在同一个以地心为原点的三维坐标系中,时间也是地球标准时间,不存在不同步的问题,同样根据4个稳定的信号源可用来计算位置和时间,地面接收机在同时接收到4颗卫星广播出来的位置和时间信息后就能计算出自己的位置和时间了;
3、如何解方程组和计算结果的推导
如前面所介绍的,基本原理是使用泰勒公式解方程组,迭代几次后,就可以获得误差很小的计算结果了(小于0.1m),而且计算精度理论上是可以无限提高的,多迭代几次就可以了。但测量仪器的精度通常是有限的,迭代太多的次数也没有意义。
作为4星定位的反向计算方法,也可以卫星发出信号,然后在地面的4个基站在收到信号后计算其发出信号时的位置和时间,这可以用来跟踪卫星的位置(会有一些延时,但可以通过采集多个位置的数据后利用大数据来预测卫星的运动,可模拟任何有规律的曲线运动)
如下图:先有4个稳定的信号源(红色圆点)给出位置、时间的报文信息,然后通过这些来计算接收机(蓝色圆点)的位置和时间。
接收机的位置、时间都不确定,用四个变量来表示(x, y, z, t),这里的(x, y, z)是以地心为原点建立的三维坐标系,t是地球的标准时间,
接收机为了确定位置,就需要接收4个以上独立信号源的时间信号,以便计算信号的行程时间Δt1 ~Δt4
这样4个方程构成了非线性方程组,求解该方程组,可以用泰勒公式将根函数线性化,这里展开第一级的公式为:
为了将4个方程线性化,先引入一个估算值,使用估算位置x' ,y' 和z' ,而不是直接计算x,y和z ,由于是估算位置,所以和x,y,z之间产生的误差是Δx,Δy和Δz,即有:
x=x’+Δx
y=y’+Δy
z=z’+Δz
计算真实位置与估算位置之间的距离R':
然后根据泰勒公式展开第一级:
经过偏微分后得到结果:
用i=1~4进行代换后,就可根据线性代数法则解出这4个变量Δx,Δy,Δz和Δt0 :
推出迭代计算公式:
用Δx,Δy和Δz的解重新计算估算位置x’ ,y’ 和z’,令:
x’=x’+Δx
x’=y’+Δy
z’=z’+Δz
通过标准迭代处理将估算x’ ,y’ 和z’再次代入方程组,直至误差分量Δx,Δy和Δz小于所要求的误差,就可以求出真实的位置,而最后求解的Δt0计算值就对应于接收机的时间误差,可用来调整接收机时钟。
解释了4个稳定信号源如何用来给接收机计算位置和时间后,就可以回答以下问题了:
1、卫星如何获得自己的位置和时间
在牛顿时空观的基础上,卫星并不需要关心自己时钟的走时快慢问题,欧式几何的距离公式以及方程组对于任何形状的卫星运行轨道都适用,所以卫星只要同时接收到4个地面基站广播的报文(包括位置和时间),就可以计算出自己的位置和时间了,地面基站由于相对地球静止,所以这些基站广播出来的时间不存在同步的问题,位置通过传统的技术也可以精确测量,与相对论没有关系。
2、地面接收机如何根据卫星的报文获得自己的位置和时间
卫星广播出来的自己的位置和时间,是根据地面基站的报文计算出来的,这个计算出来的位置是在同一个以地心为原点的三维坐标系中,时间也是地球标准时间,不存在不同步的问题,同样根据4个稳定的信号源可用来计算位置和时间,地面接收机在同时接收到4颗卫星广播出来的位置和时间信息后就能计算出自己的位置和时间了;
3、如何解方程组和计算结果的推导
如前面所介绍的,基本原理是使用泰勒公式解方程组,迭代几次后,就可以获得误差很小的计算结果了(小于0.1m),而且计算精度理论上是可以无限提高的,多迭代几次就可以了。但测量仪器的精度通常是有限的,迭代太多的次数也没有意义。
作为4星定位的反向计算方法,也可以卫星发出信号,然后在地面的4个基站在收到信号后计算其发出信号时的位置和时间,这可以用来跟踪卫星的位置(会有一些延时,但可以通过采集多个位置的数据后利用大数据来预测卫星的运动,可模拟任何有规律的曲线运动)