最新GPS研究和使用报告(上)

最新GPS研究和使用报告(上)

[GPS提高接收精确度的方法]

客户端提高GPS精度：目前单GPS系统提供的定位精度是优于10米，而为得到更高的定位精度，我们通常采用差分GPS技术：将一台GPS接收机安置在我们自己设立的基准站上进行观测。基准站的精密坐标和精确时间是已知的，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。

我们知道，GPS接收机收到的卫星信号，是含有码（信息）的载波（载体）。首先，码可以告诉我们卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。其次，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到米级以上的定位精度也只能采用相位观测值。

在一台接收机的情况下，我们只能使用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。在两台或多台接收机的情况下（差分定位），则既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，由此衍生出两种差分方法：伪距差分和载波相位差分。

伪距差分是应用最广的一种差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机（移动站），提高定位精度。这种差分能得到米级定位精度，如沿海广泛使用的信标差分。

载波相位差分技术又称RTK（Real Time Kinematics）技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。
载波相位差分可使定位精度达到毫米级。大量应用于动态需要高精度位置的领域。

[其他卫星定位系统]

GPS系统并不是咱们头上唯一的卫星定位系统，前苏联从80年代初开始建设的GLONASS（GLObal NAvigation Satellite System，全球导航卫星系统)就是与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。
GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8°。与美国的GPS系统不同的是GLONASS系统采用频分多址(FDMA)方式，根据载波频率来区分不同卫星（GPS是码分多址（CDMA），根据调制码来区分卫星）。每颗GLONASS卫星发播的两种载波的频率分别为L1=1,602+0.5625k(MHz)和L2=1,246+0.4375k(MHz)，其中k=1～24为每颗卫星的频率编号。所有GPS卫星的载波的频率是相同，均为L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz。GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：S码和P码。GLONASS系统单点定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m。
俄罗斯对GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放政策。GLONASS卫星由质子号运载火箭一箭三星发射入轨，卫星采用三轴稳定体制，整量质量1400kg，设计轨道寿命5年。所有GLONASS卫星均使用精密铯钟作为其频率基准。第一颗GLONASS卫星于1982年10月12日发射升空。到目前为止，共发射了80余颗GLONASS卫星，最近一次是2000年10月13日发射了三颗卫星。截止2001年1月10日为止尚有10颗GLONASS卫星正在运行。不过因为俄罗斯的综合国力已经大大不如美国，因为在商用方面GPS系统目前远远领先。

欧洲的崛起是无法忽视的，伽利略全球卫星导航定位系统是欧洲的卫星无线电导航项目，该计划1999年由欧盟提出，并于2002年3月正式启动。整个系统包括30颗导航卫星及相关地面设施，总投资约34亿欧元。2002至2005年是伽利略的发展阶段，预计系统将从2006年进入部署阶段，2008年开始投入商业运营。戴姆勒—克莱斯勒研究和科技中心的克里斯托•威尔逊公开承诺：“精确性和安全性对伽利略卫星导航系统来说将不是问题，我们的定位要精确到厘米。”

GPS虽有“一定江山”的本领，但它同样存在自己的“死穴”、“盲点”。这其中最突出的就是GPS系统的抗干扰能力太差了。一般情况下，在地面接收到的卫星信号很弱小。这并不难理解，从太空中的卫星传送信号到地面至少也要走上两万公里。在这期间如果信号受到干扰，将会使地面的GPS接收机无法正常工作，从而使其定位、导航精度降低或产生误导。五角大楼很早就认识到GPS制导武器的潜在危险，因此一直在从事GPS制导抗干扰技术的研究，但都收效甚微。因此，提高综合抗干扰能力，已成为GPS生存发展的重要一环。与GPS不同，伽利略卫星导航系统拥有很强的抗干扰能力。它是采用两种频段工作，这就好比上了双保险。不仅如此，在地面上更可以接收到至少3种信号：一是免费使用信号；二是提高了安全性和准确性，需要交费使用的加密信号；三是为满足更高安全要求(如飞机导航)的信号，它将采用更为严格的加密机制。如果使用伽利略系统，飞机能在任何机场降落，而不必考虑机场的技术设施如何；火车能在没有驾驶员的情况下高密度行驶；轮船即使在大雾中也能安全航行。而且如果卫星失灵，那么它在几秒钟之内就能发出警报。


伽利略系统是世界上第一个基于民用目的研制的全球卫星导航定位系统，计划在2008年建设完成，届时将覆盖全球。由于伽利略系统出生晚，在它的研发过程中采用了大量的高新技术，其性能要比美、俄现有的定位系统高不少，此外它还可以与现有的卫星定位系统兼容。可以预见，伽利略系统将拥有广阔的发展前景。目前许多对安全有很高要求的领域(如民航客机)，十分看好伽利略卫星导航系统。已开始实施的伽利略计划将打破GPS独霸天下的局面，竞争的格局将会给用户带来许多好处。

[我国GPS的研究与应用]

同样无法忽视的，还有我们伟大而和谐的祖国，在三个代表的正确引导下，在新一代党中央国务院的光芒照耀下，北斗导航试验系统已经北京时间二零零七年二月三日凌晨零时二十八分在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭成功将第四颗北斗导航试验卫星送入太空。此前，中国先后于二○○○年十月三十一日、十二月二十一日和二○○三年五月二十五日成功发射三颗北斗导航试验卫星，在此基础上建立的中国北斗导航试验系统运行至今工作稳定、状态良好，已在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥重要作用。

有关部门负责人表示，在北斗导航试验系统的基础上，中国正在实施建设北斗卫星导航系统（Compass Navigation Satellite System），计划二○○八年左右满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求，并进行系统组网和试验，逐步扩展为全球卫星导航系统。这个系统将主要用于国家经济建设，为中国的交通运输、气象、石油、海洋、森林防火、灾害预报、通信、公安以及其他特殊行业提供高效的导航定位服务。专家称，中国自行研制生产的北斗卫星导航系统，不仅具备在任何时间、任何地点为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度的能力，而且在定位性能上有所创新，希望有一天，卖GPS的人会问：你要美国的还是要北斗的？

好啦，远在2万公里高空的事情就到此为止，现在咱们来看看手边的终端设备——GPS接收机。GPS接收机分成两大类，一类是嵌入式的，一类是独立的。

嵌入式GPS是一台完成特定功能的仪器（比如勘测、导航等等），其中起到卫星定位功能的GPS接收机作为一个部分嵌入其中，这里只介绍GPS车载导航仪，这是因为车载导航是最主要的一类应用。GPS专业车载导航仪专门用于车载导航，大小比PDA、智能手机略大（主流的有3.5吋屏、4.2吋屏、7吋屏），主要用于导航，内置正版的专业导航软件（如道道通、灵图、城际通、凯立德、route66等，也有的小品牌可以安装破解版软件），一般安装直流平板陶瓷天线，接受GPS信号能力强大，搜星速度快，可以实现快速开机导航。由于整个机器都是用于导航的，所以比PDA、手机的GPS导航操作更简单更流畅，很少出现死机、顿机等情况，搜索目的地也快很多。同时最大的特点就是省事。开机就可以用，不用安装软件,不用进行设置，不用进行蓝牙匹配（这些在手机GPS方案中都要涉及）。有一些机型同时还有mp3播放/mp4播放/图片浏览功能。对于专业的司机来讲，最方便可靠的应该是这种一体化的GPS车载导航仪，但对于广大DIY玩家而言，独立式GPS的多用途则更重要，毕竟车载导航只是GPS众多功能中的一项。

独立的GPS接收机能接收、分析和计算本机位置信息，并通过某种有线或者无线的数字接口（最常见的接口有USB、CF、SD和蓝牙，还有使用PS/2也就是键盘和鼠标接口的，但比较少见），将定位数据发送到PDA、智能手机、笔记本电脑等，至于接收数据的设备用此做什么——定位导航、记录人生轨迹、测速、反雷达测速等，GPS接收机是不关心的。使用USB和PS/2接口的GPS最适用于和笔记本电脑连接，在笔记本上运行相应的软件完成用途。我用的LEADTEK 9559X是蓝牙GPS，这种GPS适用于带蓝牙的PDA、智能手机和超移动PC（比如SONY的UX17/18，虽然我很不喜欢日本，但还是不得不承认它这东西是别人无法模仿的，包括国人），在PDA/智能手机上安装对应其操作系统的应用软件。除了上述两大类之外，还有一种是智能手机/超移动PC内置GPS，比如多普达P800和SONY UX系列的GPS可选模块。