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四星定位原理介绍

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  • jmctian
  • 赫赫有名
    13
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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)


  • jmctian
  • 赫赫有名
    13
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四星定位方法比起相对论理论下的计算方法简单多了,可见卫星导航的计算可以做到根本与相对论无任何关系,实际上相对论对于GPS导航起到的作用是种误导,把原子钟在太空受物理环境造成的走时不准说成是时间弯曲,结果不仅造成了思维上的混乱,而且计算复杂误差大,后面不得不增加一项按照相对论自己都解释不了的误差项来。
这里的根本原因在于按照相对论,是没法推导出椭圆轨道的GPS导航计算公式来的,事实上GPS卫星的轨道都是椭圆的,那么对于一个按照相对论理论指导下得到的标准圆GPS导航计算公式,就不得不再通过纠偏的方式把标准圆变为椭圆,这才是所谓的相对论误差项的来源。


2025-08-24 16:15:20
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  • 物空必能
  • 闻名一方
    11
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注意,光速在引力场中是持续在可变的。


  • ccxdl
  • 赫赫有名
    13
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理想 状况下卫星发射信号的空间坐标与地面观察到的卫星像空间位置完全相同


有引力等因素影响下,地面接受的信号来自卫星像发出的信号,等效为无引力的理想真空中计算光传播距离。只要每天的重复精度足够高,卫星像波源发射时刻的坐标值可以采用头天实际测量的卫星像波源坐标值。


  • 卡西地
  • 声名远扬
    12
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楼主这贴很好,我在网上找了好久,都找不到 Δt 如何求出。
原来是用方程解出来的。


  • 雾里民工
  • 闻名一方
    11
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楼主,这是未来导航系统吗?


  • 苍松翠柏04
  • 默默无闻
    1
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建议楼主,你别再这个吧里说,你的方法那么好,你应该把它汇报给国家的有关部门,你先问问北斗用没用相对论,如果用了,你就说我有一个不用相对论的办法,看看国家能不能采纳,这也是在为国家做贡献,你这么高明的科技成果,不用那不是白瞎了吗。


  • ccxdl
  • 赫赫有名
    13
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老爱弟子请做出数学推导,在如下转动系怎么得出同时性具有相对性。


2025-08-24 16:09:20
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  • K歌之王
  • 声名远扬
    12
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1 楼 求 ⊿ x, ⊿ y, ⊿ z, ⊿ t0 的 方法 和 小梦 开平方 的 迭代方法 相似, 但 又有所不同 。
见 《小梦 在 民科吧 发了一个 用 四则运算 开平方 的 帖》 https://tieba.baidu.com/p/6811112759 的 12 楼 。
对于 函数 y = f (x) , 有 y₀ = f ( x₀ ) , 已知 y₀ , 求 x₀ 。
任取一个 x , y = f (x), 令 ⊿ y = y₀ - y , ⊿ x = x₀ - x
y₀ = y + ⊿ y , x₀ = x + ⊿ x
令 ⊿ y / ⊿ x = f ′ ( x ) , 由此有
⊿ y = f ′ ( x ) * ⊿ x
⊿ x = ⊿ y / f ′ ( x )
令 x = x + ⊿ x , 即 x = x + ⊿ y / f ′ ( x ) = x + ( y₀ - y ) / f ′ ( x ) ,
重复 若干次 这个 过程, x 会 接近 x₀ 。
1 楼 的 方法 和 小梦 的 方法 虽然相似, 但有所不同 。
1 楼 的 方法 是 以 自变量 来 设定 迭代目标(target), 小梦 的 方法 是 以 因变量 来 设定 迭代目标 。
为什么 1 楼 的 方法 要 以 自变量 ⊿ x -> 0 , ⊿ y -> 0 , ⊿ z -> 0 , ⊿ t0 -> 0 作为 迭代目标 ?
因为 1 楼 要解 的 是 一个 方程组 。
事实上, 估算位置 的 计算 是 一个 关键 的 步骤, 根据 (x1, y1, z1) , (x2, y2, z2) , (x3, y3, z3) , (x4, y4, z4) , 怎么计算出 估算位置 (x′, y′, z′) ?
为了 和 导数 f ′ ( x₀ ) 区分, 我提议, 估算位置 不要 用 一撇 ′ 命名, 可以叫 ( x估, y估, z估 ) , R ′₁ , R ′₂ , R ′₃ , R ′₄ 可以叫 R估1 , R估2 , R估3 , R估4 , R ′ i 可以叫 R估i 或者 R估_i 。
另外, ⊿ t0 和 ⊿ ti 的 ⊿ 的 意义 是 不一样 的, 我提议, 只有 ⊿ t0 叫 ⊿ t0, ⊿ ti 应该 叫 ti, 或者 t_i 。
⊿ ti 包括 ⊿ t1 , ⊿ t2 , ⊿ t3, ⊿ t4 , 其实 应该叫 t1 , t2 , t3, t4 。
这样, 是不是 更清楚 了 ?
乍一接触, 1 楼 的 方法 数学味 挺浓, 泰勒先生 也是 作出了 贡献 。 不过 数学味 挺浓纯 的 东东, 通常 不太 直观 。
简单的, 四星定位 是 一个 空间几何 的 线性问题, 以 高中 的 解析几何 为 基础 可以 作一些 解答 。 高中 解析几何 有没有 涉及 到 空间 中 的 2 条 曲线相交 了 ?
通过 解 空间 中 的 2 个 圆 相交 的 方程组, 可以得到 定位 的 位置点, 当然 , 这样 的 方程组 有多个, 不是一个 ……
从 工作量 上 来 说, 解 空间 中 2 个 圆 相交 的 方程组(方程组 有 多个) 可能 不比 1 楼 的 方程组 简单, 也许 还麻烦 一些 。
四星 可以 得到 4 组 定位 位置, 再 让 这 4 组 位置 逼近 出 一个 “尽可能接近真实位置” 的 位置, 这就是 输出结果 。
但, 可以发现, 要 实施 1 楼 的 算法, 本来就要 知道 (x1, y1, z1) , (x2, y2, z2) , (x3, y3, z3) , (x4, y4, z4) 这 4 个 定位位置, 最初 的 这 4 个 定位位置, 大概 就是 用 2 个 圆 相交 的 解析几何 方法 求出来 的 吧, 啊哈哈哈哈 。
另一方面, 1 楼 的 矩阵, 有 2 个, 就叫做 矩阵 1 和 矩阵 2 好了, 第一个 矩阵 是 矩阵 1, 第二个 矩阵 是 矩阵 2 。
矩阵 1 如果 直接 写成 4 个 方程 的 方程组, 我想 初中生 也可以看懂,
矩阵 2, 包含了 矩阵的除法, 就是有 -1 次方 的 那个, 似乎 毫无意义 …… 它 仅表示 要 解 矩阵 1 表示 的 四元方程组 , 而 事实上, 矩阵 2 并 没有 让 解方程组 的 计算 变得 简便, 也没有 提供 什么 计算方法 。
矩阵 1, 写成 4 个 方程 的 方程组, 并不会 比 矩阵 多写 几个字, 如果 矩阵 唯一 的 优点 是 省字数, 那 确实 没 省到几个 。
这些 矩阵, 看起来 并不直观 。
1 楼 的 算法 可以这样说, 用 泰勒公式 的 一阶项 列一个 四元方程组 逼近 估算位置, 四元方程组 包含 的 4 个 未知数 是 ⊿ x, ⊿ y, ⊿ z, ⊿ t0, 求出 这 4 个 未知数 就是 对 估算位置 的 一次 近似(逼近) 。
而 根据 每次 解 四元方程组 得到 的 ⊿ x, ⊿ y, ⊿ z, ⊿ t0, 可以得到 新 的 (x1, y1, z1) , (x2, y2, z2) , (x3, y3, z3) , (x4, y4, z4) ,
这些 新的 (x1, y1, z1) , (x2, y2, z2) , (x3, y3, z3) , (x4, y4, z4) 就是 对 估算位置 的 一次 近似(逼近),
此时, 根据 新的 (x1, y1, z1) , (x2, y2, z2) , (x3, y3, z3) , (x4, y4, z4) , 计算得 一个 新的 估算位置 (x′, y′, z′) ,
回到 第一步, 根据 新的 (x1, y1, z1) , (x2, y2, z2) , (x3, y3, z3) , (x4, y4, z4) , 用 泰勒公式 的 一阶项 列一个 四元方程组 逼近 新的 估算位置 。
上述 就是 迭代过程, 若干次 迭代 后, 就可以得到 “误差分量Δx,Δy和Δz小于所要求的误差” 的 (x1, y1, z1) , (x2, y2, z2) , (x3, y3, z3) , (x4, y4, z4) , 也就是 符合精度要求 的 定位位置, 也就是 输出结果 。
还是那句话, 估算位置 的 取值, 是一个 关键 的 步骤 。


  • K歌之王
  • 声名远扬
    12
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9 楼 说反了, (x1, y1, z1) , (x2, y2, z2) , (x3, y3, z3) , (x4, y4, z4) 是 4 个 卫星 的 位置, 不是 对 地面物体 测出 的 4 个 位置,
这样, 就是 用 估算位置 计算出 的 R估1 、R估2 、R估3 、R估4 去 逼近 4 个 卫星 实际 测量得到 的 R1 、R2 、R3 、R4 , 而 这 也 使得 估算位置 (x估 , y估 , z估) 逼近了 真实位置 。
1 楼 中 的 估算位置 是 (x′ , y′ , z′) , 我 这里 把 命名 改成了 (x估 , y估 , z估) 。
这是一个 直接 和 巧妙 的 方法 。 不需要 用 2 个圆(3 个圆) 相交 求出 位置点, 再对 若干个 位置点 综合平均 得到 一个 误差较小 的 位置点 。
这样一来的话, 估算位置 就不是 问题了, 一开始 的 估算位置 可以随便 取一个 。
为什么 9 楼 会 把 (x1, y1, z1) , (x2, y2, z2) , (x3, y3, z3) , (x4, y4, z4) 当成是 对 地面物体 测出 的 4 个 位置 ?
原因之一是, 4 个 卫星 对 一个 地面物体 可以给出 4 组 测量数据, 对应 4 个 位置 。
设 卫星 是 A 、B 、C 、D , ABC 一组, ABD 一组, ACD 一组, BCD 一组, 因为 3 个 卫星 可以 决定 一个 地面位置,
所以, 对 一个 地面物体, 每组 可以 给出 一个 位置, 这样就可以得到 4 个 位置, 把 这 4 个 位置 综合平均 一下 就是 定位结果, 综合平均 起到 中和减小误差 的 作用 。


  • K歌之王
  • 声名远扬
    12
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我把 9 楼 的 内容 修改了一下, 结合 10 楼 的 内容, 另外又增加了一些内容, 重新发在这里 。
1 楼 求 ⊿ x, ⊿ y, ⊿ z, ⊿ t0 的 方法 和 小梦 开平方 的 迭代方法 相似, 但 又有所不同 。
见 《小梦 在 民科吧 发了一个 用 四则运算 开平方 的 帖》 https://tieba.baidu.com/p/6811112759 的 12 楼 。
对于 函数 y = f (x) , 有 y₀ = f ( x₀ ) , 已知 y₀ , 求 x₀ 。
任取一个 x , y = f (x), 令 ⊿ y = y₀ - y , ⊿ x = x₀ - x
y₀ = y + ⊿ y , x₀ = x + ⊿ x
令 ⊿ y / ⊿ x = f ′ ( x ) , 由此有
⊿ y = f ′ ( x ) * ⊿ x
⊿ x = ⊿ y / f ′ ( x )
令 x = x + ⊿ x , 即 x = x + ⊿ y / f ′ ( x ) = x + ( y₀ - y ) / f ′ ( x ) ,
重复 若干次 这个 过程, x 会 接近 x₀ 。
1 楼 的 方法 和 小梦 的 方法 虽然相似, 但有所不同 。
1 楼 的 方法 是 以 自变量 来 设定 迭代目标(target), 小梦 的 方法 是 以 因变量 来 设定 迭代目标 。
为什么 1 楼 的 方法 要 以 自变量 ⊿ x -> 0 , ⊿ y -> 0 , ⊿ z -> 0 , ⊿ t0 -> 0 作为 迭代目标 ?
因为 1 楼 要解 的 是 一个 方程组 。
事实上, 方程组 也并不成其为 理由 。 事实上, 小梦 的 算法 也可以 以 自变量 ⊿ a -> 0 作为 迭代目标, 设 被开方数 为 b, a 为 中间结果, 也是 最终结果,
⊿ a = ( b - a ² ) / (2a)
令 a = a + ⊿ a ,
这是 迭代过程, 若干次迭代后, a 会 接近 根号 b 。
可以看到, 可以 以 ⊿ a -> 0 或者 小于 “所要求的误差” 来 作为 迭代目标 。
而 1 楼 的 算法 也可以 以 R i - R ′i -> 0 或者 小于 “所要求的误差” 来 作为 迭代目标, 这里的 R i - R ′i 可以是 绝对值 | R i - R ′i | 。
为了 和 导数 f ′ ( x₀ ) 区分, 我提议, 估算位置 不要 用 一撇 ′ 命名, 可以叫 ( x估, y估, z估 ) , R ′₁ , R ′₂ , R ′₃ , R ′₄ 可以叫 R估1 , R估2 , R估3 , R估4 , R ′ i 可以叫 R估i 或者 R估_i 。
另外, ⊿ t0 和 ⊿ ti 的 ⊿ 的 意义 是 不一样 的, 我提议, 只有 ⊿ t0 叫 ⊿ t0, ⊿ ti 应该 叫 ti, 或者 t_i 。
⊿ ti 包括 ⊿ t1 , ⊿ t2 , ⊿ t3, ⊿ t4 , 其实 应该叫 t1 , t2 , t3, t4 。
这样, 是不是 更清楚 了 ?
乍一接触, 1 楼 的 方法 数学味 挺浓, 泰勒先生 也是 作出了 贡献 。 不过 数学味 挺浓纯 的 东东, 通常 不太 直观 。
简单的, 四星定位 是 一个 空间几何 的 线性问题, 以 高中 的 解析几何 为 基础 可以 作一些 解答 。 高中 解析几何 有没有 涉及 到 空间 中 的 2 条 曲线相交 了 ?
通过 解 空间 中 的 2 个 圆 相交 的 方程组, 可以得到 定位 的 位置点, 当然 , 这样 的 方程组 有多个, 不是一个 ……
从 工作量 上 来 说, 解 空间 中 2 个 圆 相交 的 方程组(方程组 有 多个) 可能 不比 1 楼 的 方程组 简单, 也许 还麻烦 一些 。
四星 可以 得到 4 组 定位 位置, 再 让 这 4 组 位置 逼近 出 一个 “尽可能接近真实位置” 的 位置, 这就是 输出结果 。
1 楼 的 方法 是 用 估算位置 计算出 的 R估1 、R估2 、R估3 、R估4 去 逼近 4 个 卫星 实际 测量得到 的 R1 、R2 、R3 、R4 , 而 这 也 使得 估算位置 (x估 , y估 , z估) 逼近了 真实位置 。
一开始 的 估算位置 可以 随便 取一个 。
1 楼 中 的 估算位置 是 (x′ , y′ , z′) , 我 这里 把 命名 改成了 (x估 , y估 , z估) 。
这是一个 直接 和 巧妙 的 方法 。 不需要 用 2 个圆(3 个圆) 相交 求出 位置点, 再对 若干个 位置点 综合平均 得到 一个 误差较小 的 位置点 。 综合平均 起到 中和减小误差 的 作用 。
另一方面, 1 楼 的 矩阵, 有 2 个, 就叫做 矩阵 1 和 矩阵 2 好了, 第一个 矩阵 是 矩阵 1, 第二个 矩阵 是 矩阵 2 。
矩阵 1 如果 直接 写成 4 个 方程 的 方程组, 我想 初中生 也可以看懂,
矩阵 2, 包含了 矩阵的除法, 就是有 -1 次方 的 那个, 似乎 毫无意义 …… 它 仅表示 要 解 矩阵 1 表示 的 四元方程组 , 而 事实上, 矩阵 2 并 没有 让 解方程组 的 计算 变得 简便, 也没有 提供 什么 计算方法 。
矩阵 1, 写成 4 个 方程 的 方程组, 并不会 比 矩阵 多写 几个字, 如果 矩阵 唯一 的 优点 是 省字数, 那 确实 没 省到几个 。
这些 矩阵, 看起来 并不直观 。
1 楼 用 泰勒公式 的 一阶项 列一个 四元方程组 逼近 估算位置, 四元方程组 包含 的 4 个 未知数 是 ⊿ x, ⊿ y, ⊿ z, ⊿ t0,
其实 要求 的 是 接近 真实位置 的 估算位置 ( x估 , y估 , z估 ) , 每次迭代 从 四元方程组 中 求得 ⊿ x, ⊿ y, ⊿ z, ⊿ t0 ,
在 1 楼 可以看到, 每一次 迭代 列 四元方程组 , 要用到 上一次 的 x′ , y′ , z′ , 也就是 x估 , y估 , z估 ,
而 上一次 的 x估 , y估 , z估 由 上一次 的 ⊿ x, ⊿ y, ⊿ z 求得, 如下 :
x估 = x估 + ⊿ x
y估 = y估 + ⊿ y
z估 = z估 + ⊿ z
可以看到, 上一次 的 ⊿ t0 并不会 用到, ⊿ t0 只是一个 占位符, 或者说 占位元, 或者说 占位未知数 。
本来, 对于 ⊿ x, ⊿ y, ⊿ z 三个 未知数, 只要有 三个 方程 组成 三元方程组 就 足以 解出, 也就是说, 只要有 3 个 卫星 的 测量数据 R1 、R2 、R3 就可以 用 1 楼 的 方法 迭代 得出 接近 真实位置 的 估算位置 。
但 为了 提高精度, 加入了 第 4 个 卫星, 组成 四元方程组, 这就需要再增加一个 未知数, 于是 就 加入了 ⊿ t0 ,
当 有 5 个 卫星 的 时候, 会有 5 个 测量数据 : R1 、R2 、R3 、R4 、R5 , 可以 列 5 个 方程, 为了 组成 五元方程组, 当然 要 再加一个 未知数, 比如 ⊿ t02 , 原来 的 ⊿ t0 改名为 ⊿ t01, 这样, 在 每个 方程 里 会有 + c * ⊿ t01 + c * ⊿ t02 这样 两项 。
方程组 有 5 个 未知数 : ⊿ x, ⊿ y, ⊿ z, ⊿ t01 , ⊿ t02 。
同理, 当 有 6 个 卫星 的 时候, 会有 6 个 测量数据 : R1 、R2 、R3 、R4 、R5 、R6 , 可以 列 6 个 方程, 这样要 再加 一个 未知数 ⊿ t03 , 每个方程 里 会有 + c * ⊿ t01 + c * ⊿ t02 + c * ⊿ t03 这样 三项 。
方程组 有 6 个 未知数 : ⊿ x, ⊿ y, ⊿ z, ⊿ t01 , ⊿ t02 , ⊿ t03 。
当有 7 个 卫星 的 时候, 会有 + c * ⊿ t01 + c * ⊿ t02 + c * ⊿ t03 + c * ⊿ t04 四项 , 方程组 有 7 个 未知数 : ⊿ x, ⊿ y, ⊿ z, ⊿ t01 , ⊿ t02 , ⊿ t03 , ⊿ t04 。
当有 8 个 卫星 的 时候, 会有 + c * ⊿ t01 + c * ⊿ t02 + c * ⊿ t03 + c * ⊿ t04 + c * ⊿ t05 五项 , 方程组 有 8 个 未知数 : ⊿ x, ⊿ y, ⊿ z, ⊿ t01 , ⊿ t02 , ⊿ t03 , ⊿ t04 , ⊿ t05 。
……
当有 i 个 卫星 的 时候, 依此类推 。


  • K歌之王
  • 声名远扬
    12
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接 11 楼, 因为 误差 的 存在, ⊿ x, ⊿ y, ⊿ z, ⊿ t0 并不会 无限 的 变小, 迭代到 一定 次数 时, ⊿ x, ⊿ y, ⊿ z, ⊿ t01 会 在 一定范围 附近 徘徊 和 跳跃 。
这个范围 也是 定位目标 的 位置范围 。
这里 说的 误差 是指 Ri 的 测量误差 。
1 楼 的 方法 使用 泰勒公式 一阶项, 对于 多元方程(函数), 是 用 偏导数 的 方式 使用 泰勒公式 一阶项 , 这可以达到 迭代逼近 的 效果, 这一点 在 多维空间几何 中 可以得到 直观 的 证明 。


  • K歌之王
  • 声名远扬
    12
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接 12 楼, 对 1 楼 用 偏导数 将 泰勒公式 一阶项 应用到 多元函数 的 方法 做一个 简单 的 推导证明 。
先推导 一下 泰勒公式 一阶项 公式 , 其实 在 11 楼 有 这个 推导过程 。
对于 函数 y = f (x) , 有 y₀ = f ( x₀ ) , 已知 y₀ , 求 x₀ 。
任取一个 x , y = f (x), 令 ⊿ y = y₀ - y , ⊿ x = x₀近似 - x
y₀ = y + ⊿ y , x₀近似 = x + ⊿ x
令 ⊿ y / ⊿ x = f ′ ( x ) , 由此有
⊿ y = f ′ ( x ) * ⊿ x
⊿ x = ⊿ y / f ′ ( x )
x₀近似 = x + ⊿ x
= x + ⊿ y / f ′ ( x )
= x + ( y₀ - y ) / f ′ ( x )
令 x = x₀近似 , 重复 若干次 这个 过程, x 会 接近 x₀ 。
由 ⊿ y = f ′ ( x ) * ⊿ x , 有
y₀ - y = f ′ ( x ) * ⊿ x
y₀ = y + f ′ ( x ) * ⊿ x (1) 式
(1) 式 就是 泰勒公式 一阶项 公式, 注意, (1) 式 里的 x₀ 和 1 楼 的 x₀ 反过来了, (1) 式 的 x₀ 是 1 楼 的 x, (1) 式 的 x 是 1 楼 的 x₀ , 相应的, y 和 y₀ , f ( x ) 和 f ( x₀ ) 也是 反过来的 。
当然, 1 楼 没有用 y 和 y₀, 是用 f ( x ) 和 f ( x₀ ) 表示 函数 的 。
其实 这些 不是 大问题, 意会 就行 。
上面的 推导过程 是 以 通俗 的 视角 推导 泰勒公式 一阶项 公式,
用 简单 的 高数知识 可以 证明, (1) 式 求出 ⊿ x , 令 x = x + ⊿ x , 再 代入 (1) 式 求 ⊿ x , 如此迭代, 可以让 x -> x₀ 。
对于 多元函数 R = f ( x, y, z ) , 要 怎么应用 (1) 式 ?
x, y, z 为 自变量, R 为 因变量 。
对于 R₀ = f ( x₀, y₀, z₀ ) , 已知 R₀ , 求 x₀, y₀, z₀ 。
可以 这样来看, 先固定 y, z , 只让 x 变化, 在 只让 x 变化 的 情况下, 尽量 的 让 R 逼近 R₀ ,
于是, y, z 可以看作 常量, 应用 (1) 式, 可得 :
R₀ = R + ∂ f ( x, y, z ) / ∂ x
R₀ = f ( x, y, z ) + ∂ f ( x, y, z ) / ∂ x
给 x, y, z 各取一个 估算值 x估 , y估 , z估 ,
R₀ = f ( x估, y估, z估 ) + ∂ f ( x估, y估, z估 ) / ∂ x * ⊿ x (2) 式
同理, 固定 x, z , 只让 y 变化, 在 只让 y 变化 的 情况下, 尽量 的 让 R 逼近 R₀ , 可得
R₀ = f ( x估, y估, z估 ) + ∂ f ( x估, y估, z估 ) / ∂ y * ⊿ y (3) 式
同理, 固定 x, y , 只让 z 变化, 在 只让 z 变化 的 情况下, 尽量 的 让 R 逼近 R₀ , 可得
R₀ = f ( x估, y估, z估 ) + ∂ f ( x估, y估, z估 ) / ∂ z * ⊿ z (4) 式
接下来, 可以 先 根据 (2) 式 求出 ⊿ x , 根据 x估 = x估 + ⊿ x 得到 新的 x估 ,
把 新的 x估 代入 (3) 式, 求出 ⊿ y, 根据 y估 = y估 + ⊿ y 得到 新的 y估 ,
把 新的 x估 , y估 代入 (4) 式, 求出 ⊿ z, 根据 z估 = z估 + ⊿ z 得到 新的 z估 ,
把 新的 x估 , y估 , z估 代回 (2) 式 , (3) 式 , (4) 式, 重复 上述过程 。
这样 迭代 若干次 后, x估 , y估 , z估 应该会 接近 x₀, y₀, z₀ 。
可以看到, (2) 式 , (3) 式 , (4) 式 的 形式 是 一样 的, 差别 是 等号右边 的 第 2 项, 第 2 项 也就是 增量项 。
可以 把 (2) 式 , (3) 式 , (4) 式 叠加 起来,
R₀ = f ( x估, y估, z估 ) + ∂ f ( x估, y估, z估 ) / ∂ x * ⊿ x + ∂ f ( x估, y估, z估 ) / ∂ y * ⊿ y + ∂ f ( x估, y估, z估 ) / ∂ z * ⊿ z (5) 式
(5) 式 就是 (2) 式 , (3) 式 , (4) 式 叠加起来 的 结果,
“叠加” 包含 2 个 意思, 一是 (5) 式 完整 的 保留了 (2) 式 , (3) 式 , (4) 式 各自 的 逼近能力, 二是 让 ⊿ x , ⊿ y , ⊿ z 建立了 联系 。
为什么说 (5) 式 完整 的 保留了 (2) 式 , (3) 式 , (4) 式 各自 的 逼近能力 ?
当 ⊿ y = 0 , ⊿ z = 0 时, (5) 式 变回 (2) 式,
当 ⊿ x = 0 , ⊿ z = 0 时, (5) 式 变回 (3) 式,
当 ⊿ x = 0 , ⊿ y = 0 时, (5) 式 变回 (4) 式,
这应该可以说是 (5) 式 完整 的 保留了 (2) 式 , (3) 式 , (4) 式 各自 的 逼近能力 。
这个叠加 似乎 可以叫一个 定理, 比如 “线性叠加和退化法则” 。
根据 (5) 式, 可以列一个 三元方程, 如果 有 3 个 R, 比如 R1, R2, R3, 就可以 列 三个 方程, 组成 三元方程组 。
R1 = R估1 + ∂ f1 ( x估, y估, z估 ) / ∂ x * ⊿ x + ∂ f1 ( x估, y估, z估 ) / ∂ y * ⊿ y + ∂ f1 ( x估, y估, z估 ) / ∂ z * ⊿ z (6) 式
R2 = R估2 + ∂ f2 ( x估, y估, z估 ) / ∂ x * ⊿ x + ∂ f2 ( x估, y估, z估 ) / ∂ y * ⊿ y + ∂ f2 ( x估, y估, z估 ) / ∂ z * ⊿ z (7) 式
R3 = R估3 + ∂ f3 ( x估, y估, z估 ) / ∂ x * ⊿ x + ∂ f3 ( x估, y估, z估 ) / ∂ y * ⊿ y + ∂ f3 ( x估, y估, z估 ) / ∂ z * ⊿ z (8) 式
其中, R估1 = f1 ( x估, y估, z估 ) , R估2 = f2 ( x估, y估, z估 ) , R估3 = f3 ( x估, y估, z估 )
注意, f1 , f2 , f3 是不一样的, 区别在于 代入 的 卫星位置 不一样,
R1 是 卫星 1 测量的, 卫星 1 的 位置 是 ( x1, y1, z1 ) , 所以, 在 f ( x估, y估, z估 ) 中 代入 ( x1, y1, z1 ) 就是 f1 ( x估, y估, z估 ) ,
R2 是 卫星 2 测量的, 卫星 2 的 位置 是 ( x2, y2, z2 ) , 所以, 在 f ( x估, y估, z估 ) 中 代入 ( x2, y2, z2 ) 就是 f2 ( x估, y估, z估 ) ,
R3 是 卫星 3 测量的, 卫星 3 的 位置 是 ( x3, y3, z3 ) , 所以, 在 f ( x估, y估, z估 ) 中 代入 ( x3, y3, z3 ) 就是 f3 ( x估, y估, z估 ) ,
这就是 1 楼 的 方法 。


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    12
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2025-08-24 16:03:20
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该观点存在严重科学事实错误,且核心逻辑不成立。以下从科学原理和工程实践角度进行逐点批驳:
一、核心错误:混淆“修正机制”与“无需修正”
作者自相矛盾
作者承认GPS需“每天地面例行二次时频修正”,这些修正的核心内容正是相对论效应补偿(如美国海军天文台USNO的实践)。
却声称“无需专门修正相对论”,实属逻辑悖论。
伪距差分无法消除相对论效应
错误根源:作者认为伪距差分能消除所有系统误差(包括相对论)。
事实:
伪距差分仅能消除公共误差(如电离层延迟、对流层延迟)。
相对论效应是卫星钟的固有偏差(每颗卫星钟因速度/位置不同,偏差量不同),不属于接收机间的公共误差。
反例:
单星定位(如授时应用)无差分过程,若不修正相对论,误差直接累积(38μs→10km)。
即使差分,若参考站未修正相对论,其钟差会污染整个网络。
二、原子钟稳定性反而放大相对论效应
参数 数值 与相对论效应对比
原子钟日稳定度 约0.1 ns/天 远小于相对论效应38μs
未修正相对论时误差 38,000 ns/天 是钟本身误差的38万倍
结论:原子钟精度越高,相对论效应越成为主导误差源,必须优先修正。
三、GPS校时功能直接依赖相对论修正
国际标准要求
国际电信联盟(ITU-R TF.1153)规定:卫星授时系统必须包含相对论修正模型。
BIPM(国际计量局)生成协调世界时(UTC)时,明确要求GPS提供的数据需经相对论校正。
实际工程实现
GPS卫星钟预调频:将10.23 MHz基准频率降低至10.22999999543 MHz(补偿+45.8μs/天的广义相对论效应)。
导航电文参数:播发时钟修正系数 �0,�1,�2a0,a1,a2(含相对论项 Δ��Δtr):
�corrected=�sv−(�0+�1⋅Δ�+�2⋅Δ�2)+Δ��tcorrected=tsv−(a0+a1⋅Δt+a2⋅Δt2)+Δtr
其中 Δ��=2��⋅�⋅sin⁡��2Δtr=c22GM⋅e⋅sinE(开普勒轨道修正项)。
四、实验与历史证据
1977年Hafele-Keating实验
携带原子钟的环球航班验证了运动时钟变慢,直接推动GPS加入相对论修正。
1993年GPS关闭修正的测试
美国空军实验室实测:关闭相对论修正后,定位误差24小时累积达11.4公里,与理论预测一致。
其他导航系统的同质修正
北斗(中国):使用更精细的 Δ��Δtr 模型(含地球引力场高阶项)。
Galileo(欧盟):钟频预调整量级与GPS相同(约-0.005 Hz)。
五、作者背景的误导性
履历时效性问题:
作者任职高峰期(1980-90年代)正值GPS早期建设阶段,当时相对论修正尚未成为工程共识(首颗GPS卫星1989年才加载完整修正模型)。
与现行标准冲突:
现行GPS接口文件(IS-GPS-200)第20.3.3.3.3.1节明确要求相对论修正,所有接收机厂商(如Trimble、u-blox)均遵循该标准。
结论:该观点完全违背科学事实
定位层面:未修正相对论的GPS误差达公里级,差分技术无法解决。
授时层面:BIPM的UTC生成直接依赖GPS的相对论修正数据。
工程现实:所有GNSS系统均内置相对论修正模块(预调频+参数播发)。
科学原理的验证:GPS正是相对论最成功的工程实证——若相对论错误,则整个卫星导航理论体系崩塌。建议以权威物理教材(如《引力与时空》)及GPS系统设计文献(如《GPS原理与应用》)为准。


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