GPS：NTP时间注入的工作原理

Question

我最近知道了一个在/system/etc/目录下的gps.conf文件。 似乎将NTP_SERVER值调整为更接近通常位置的NTP服务器可以改善TTFF。

阅读LocationProvider类中的源代码，似乎在启动时从NTP服务器检索时间并将其“注入”计算。 据我所知，每个GPS卫星都有非常精确的原子钟，并且每个卫星都与所谓的“GPS时间”同步。一旦接收器获得4个或更多卫星，它会解决（通过某种方法）一个方程式，在其中有四个未知数：x，y，z，b;其中（x，y，z）是接收器位置，b是接收器内部时钟与（正确的）GPS时间之间的时间差。一旦它有一个位置修复，接收器时钟就与正确的时间同步了。（如果我错了，请纠正我）。

到目前为止，我对NTP时间注入的方式有一些问题：

1. GPS时间大约是TAI（国际原子时间）加上一个偏移量。这两个时间不依赖于地球自转，但UTC依赖于它。鉴于NTP服务器返回UTC时间，是否可以从UTC时间推断出GPS时间？
2. 如何从更近的服务器检索NTP时间可以改善GPS时间近似值的“质量”？
3. 假设我们有一个初始的GPS时间值（从某种方式推断出的NTP时间），注入是关于什么的？这个时间值被视为正确的来解决只有x，y，z为未知数的方程吗？如果是这样，那么第一个修复也只是一个近似值，对吗？
4. 高质量的GPS时间初始近似值如何提高TTFF？这是因为使用低质量的NTP时间会将第一个修复视为不可接受并丢弃吗？
5. 是否具有近似的初始位置有助于检索下一个正确的修正（例如仅侦听卫星子集）？

- Mister Smith

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这个问题涉及GPS如何工作以及如何执行的一些非常深入的问题。我敢说这并不完全适合于Android论坛，因为它没有关于API的问题。也许有更合适的标签来吸引正确的人群的注意？话虽如此，我想知道这些问题是否可以通过查看源代码来得到答案，就像作者开始做的那样。总的来说，我很高兴这些GPS细节似乎都能正常工作，而我并不需要知道它们是如何工作的 :)。 - Ian

Answer 1

通过查阅维基百科和其他来源，我能猜出以下几点：

1. 是的，你可以从UTC时间推算GPS时间。你只需要知道时间偏差，它每15秒传输一次，并且大约每18个月更改一次。来源：维基百科

2. NTP无法给出精确的时间。它测量客户端到服务器的消息时间和服务器到客户端响应的时间。然后将这些时间用于计算连接的延迟。然后将其作为偏移量应用于接收到的时间。这适用于对称路线。如果路线是非对称的，则会有误差。因此，服务器越近，不对称的机会和等级就越低，因此误差就越小。来源：同上

3. NTP信号并没有直接用于获取GPS定位。但是要获得精确的定位，你需要非常精确的时钟，我们谈论的是纳秒级别的时间。 GPS卫星确实会传输当前的GPS时间，但即使以光速行驶，也会有一些延迟。 GPS接收器无法知道延迟是多少，因此必须从接收到的几个信号中进行近似计算。每次接收到传输就会使时钟更加精确。因此，一开始拥有更好的时间，需要接收的信号就越少，就可以获得准确的时钟。来源：同上

4. 基本上在3中已经解释了 - 时钟误差越小，需要近似正确时间的信号就越少。

5. 我在这里猜测一下，但大概有近似的位置可以帮助你更好地近似计算与卫星的距离，从而计算出延迟。（不确定是否真的被使用。）

希望至少有点意义 ;-)

- Fox

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这个（AGPS）特别有趣，因为它与FasterGPS主页相关联，这是一款精确执行此操作的Android应用程序。更多关于GPS、时间和一般获取定位的详细信息，请参阅这个惊人的PDF。 - mirabilos

那份PDF明确指出，对于热启动，时间必须在20秒内准确无误。NTP获取的时间在常见硬件上通常会有5-10毫秒的差异。 - Marki555

Answer 2

我的回答将更专注于您问题中的NTP方面。对于GPS，我已经研究了mirabilos在评论中提到的这篇PDF文件。

根据该文档，在GPS接收器的温启动过程中，您需要知道时间在20秒内，位置在100公里以内，速度在25米/秒以内，并且历书数据最多几周前。您仍然需要从每个卫星下载星历数据，根据GPS接收器类型，这需要30秒到3分钟不等的时间。

对于热启动，您还需要星历数据（其有效期为4小时）。它们也可以通过A-GPS获取（见下文）。

NTP协议使用服务器层次结构，从最初的时间源- GPS、原子钟等开始。这被称为stratum-0源。直接连接到此源的NTP服务器称为stratum-1。使用此作为上游服务器的服务器是stratum-2，依此类推。即使对于stratum-1服务器，要实现小于1毫秒的误差，您也需要特殊调整的硬件（由于CPU中断延迟、串口延迟、温度振荡器变化等原因）。

在正常网络上的普通硬件（例如未饱和的DSL链路）上，您可以实现约10毫秒的精度。例如，NTP池认为其服务器如果具有100毫秒内的时间精度，则有效且足够好。NTP提供的时间精度不取决于您与NTP服务器之间的地理位置，而更多地取决于层数、该服务器的质量以及该服务器基于网络拓扑结构的距离。

Android手机通常能够以至少1秒的精度知道时间。无论是通过GSM网络的定期时间同步还是如果数据连接（wifi或蜂窝数据）可用，也可以通过NTP来实现。

对于提到的应用程序FasterGPS——将您的NTP服务器更改为更好的服务器将无法帮助您加快TTFF速度。要实现这一点，您需要具有纳秒级精度的时间，这在NTP中是不可能的。只有GPS芯片本身才能以那种精度跟踪时间。在Android上加快TTFF速度的方法包括：

• 您的Android手机上已经有良好的20秒内的时间
• 通过Wifi或GSM网络（基于传输塔）获得大致位置
• 使用A-GPS——它通过互联网下载所有GPS卫星的最新历书和星历数据，因此您无需从GPS卫星上下载（这需要30秒钟的时间用于星历数据和15分钟的时间用于历书）。使用A-GPS，您可以使用热启动，并且TTFF速度在10秒以下。

- Marki555

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对于提到的应用程序FasterGPS来说，更改您的NTP服务器不会帮助您获得更快的TTFF时间，我对此表示怀疑。因为该应用在应用商店上有数千条积极的评论。 - Chin

Answer 3

Ian在评论中提到的答案与GPS接收器的实际工作原理有关。如果接收器对接收机钟差有更准确的估计，它将更快地得出解决方案。许多接收器实现了一种迭代解决方案，依赖于接收器位置和钟差的初始估计值。如果这些估计已经接近真实值，那么需要的迭代次数就会更少。这只是TTFF较少的部分原因，还有其他重要因素。如果初始位置和时间估计值很好，那么获取卫星信号的搜索过程将花费显著较少的时间，因为接收器可以计算哪些卫星应该可见，并且还可以估计每个信号相对于接收器参考框架的大致多普勒频移。

- robguinness