最新GPS研究和使用報告(上)

[GPS提高接收精確度的方法]

客戶端提高GPS精度：目前單GPS系統提供的定位精度是優于10米，而為得到更高的定位精度，我們通常采用差分GPS技術：將一臺GPS接收機安置在我們自己設立的基準站上進行觀測。基準站的精密坐標和精確時間是已知的，計算出基準站到衛星的距離改正數，并由基準站實時將這一數據發送出去。用戶接收機在進行GPS觀測的同時，也接收到基準站發出的改正數，并對其定位結果進行改正，從而提高定位精度。

我們知道，GPS接收機收到的衛星信號，是含有碼（信息）的載波（載體）。首先，碼可以告訴我們衛星到接收機的距離，由于含有接收機衛星鐘的誤差及大氣傳播誤差，故稱為偽距。對0A碼測得的偽距稱為UA碼偽距，精度約為20米左右，對P碼測得的偽距稱為P碼偽距，精度約為2米左右。其次，進行解碼或采用其它技術，將調制在載波上的信息去掉后，就可以恢復載波。嚴格而言，載波相位應被稱為載波拍頻相位，它是收到的受多普勒頻移影響的衛星信號載波相位與接收機本機振蕩產生信號相位之差。一般在接收機鐘確定的歷元時刻量測，保持對衛星信號的跟蹤，就可記錄下相位的變化值，但開始觀測時的接收機和衛星振蕩器的相位初值是不知道的，起始歷元的相位整數也是不知道的，即整周模糊度，只能在數據處理中作為參數解算。相位觀測值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相對定位、并有一段連續觀測值時才能使用相位觀測值，而要達到米級以上的定位精度也只能采用相位觀測值。

在一臺接收機的情況下，我們只能使用偽距觀測量，可用于車船等的概略導航定位。在兩臺或多臺接收機的情況下（差分定位），則既可采用偽距觀測量也可采用相位觀測量，由此衍生出兩種差分方法：偽距差分和載波相位差分。

偽距差分是應用最廣的一種差分。在基準站上，觀測所有衛星，根據基準站已知坐標和各衛星的坐標，求出每顆衛星每一時刻到基準站的真實距離。再與測得的偽距比較，得出偽距改正數，將其傳輸至用戶接收機（移動站），提高定位精度。這種差分能得到米級定位精度，如沿海廣泛使用的信標差分。

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載波相位差分技術又稱RTK（Real Time Kinematics）技術，是實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法。即是將基準站采集的載波相位發給用戶接收機，進行求差解算坐標。
載波相位差分可使定位精度達到毫米級。大量應用于動態需要高精度位置的領域。

[其他衛星定位系統]

GPS系統并不是咱們頭上唯一的衛星定位系統，前蘇聯從80年代初開始建設的GLONASS（GLObal NAvigation Satellite System，全球導航衛星系統)就是與美國GPS系統相類似的衛星定位系統，也由衛星星座、地面監測控制站和用戶設備三部分組成。現在由俄羅斯空間局管理。
GLONASS系統的衛星星座由24顆衛星組成，均勻分布在3個近圓形的軌道平面上，每個軌道面8顆衛星，軌道高度19100公里，運行周期11小時15分，軌道傾角64.8°。與美國的GPS系統不同的是GLONASS系統采用頻分多址(FDMA)方式，根據載波頻率來區分不同衛星（GPS是碼分多址（CDMA），根據調制碼來區分衛星）。每顆GLONASS衛星發播的兩種載波的頻率分別為L1=1,602+0.5625k(MHz)和L2=1,246+0.4375k(MHz)，其中k=1～24為每顆衛星的頻率編號。所有GPS衛星的載波的頻率是相同，均為L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz。GLONASS衛星的載波上也調制了兩種偽隨機噪聲碼：S碼和P碼。GLONASS系統單點定位精度水平方向為16m，垂直方向為25m。
俄羅斯對GLONASS系統采用了軍民合用、不加密的開放政策。GLONASS衛星由質子號運載火箭一箭三星發射入軌，衛星采用三軸穩定體制，整量質量1400kg，設計軌道壽命5年。所有GLONASS衛星均使用精密銫鐘作為其頻率基準。第一顆GLONASS衛星于1982年10月12日發射升空。到目前為止，共發射了80余顆GLONASS衛星，最近一次是2000年10月13日發射了三顆衛星。截止2001年1月10日為止尚有10顆GLONASS衛星正在運行。不過因為俄羅斯的綜合國力已經大大不如美國，因為在商用方面GPS系統目前遠遠領先。

歐洲的崛起是無法忽視的，伽利略全球衛星導航定位系統是歐洲的衛星無線電導航項目，該計劃1999年由歐盟提出，并于2002年3月正式啟動。整個系統包括30顆導航衛星及相關地面設施，總投資約34億歐元。2002至2005年是伽利略的發展階段，預計系統將從2006年進入部署階段，2008年開始投入商業運營。戴姆勒—克萊斯勒研究和科技中心的克里斯托?威爾遜公開承諾：“精確性和安全性對伽利略衛星導航系統來說將不是問題，我們的定位要精確到厘米。”

GPS雖有“一定江山”的本領，但它同樣存在自己的“死穴”、“盲點”。這其中最突出的就是GPS系統的抗干擾能力太差了。一般情況下，在地面接收到的衛星信號很弱小。這并不難理解，從太空中的衛星傳送信號到地面至少也要走上兩萬公里。在這期間如果信號受到干擾，將會使地面的GPS接收機無法正常工作，從而使其定位、導航精度降低或產生誤導。五角大樓很早就認識到GPS制導武器的潛在危險，因此一直在從事GPS制導抗干擾技術的研究，但都收效甚微。因此，提高綜合抗干擾能力，已成為GPS生存發展的重要一環。與GPS不同，伽利略衛星導航系統擁有很強的抗干擾能力。它是采用兩種頻段工作，這就好比上了雙保險。不僅如此，在地面上更可以接收到至少3種信號：一是免費使用信號；二是提高了安全性和準確性，需要交費使用的加密信號；三是為滿足更高安全要求(如飛機導航)的信號，它將采用更為嚴格的加密機制。如果使用伽利略系統，飛機能在任何機場降落，而不必考慮機場的技術設施如何；火車能在沒有駕駛員的情況下高密度行駛；輪船即使在大霧中也能安全航行。而且如果衛星失靈，那么它在幾秒鐘之內就能發出警報。


伽利略系統是世界上第一個基于民用目的研制的全球衛星導航定位系統，計劃在2008年建設完成，屆時將覆蓋全球。由于伽利略系統出生晚，在它的研發過程中采用了大量的高新技術，其性能要比美、俄現有的定位系統高不少，此外它還可以與現有的衛星定位系統兼容。可以預見，伽利略系統將擁有廣闊的發展前景。目前許多對安全有很高要求的領域(如民航客機)，十分看好伽利略衛星導航系統。已開始實施的伽利略計劃將打破GPS獨霸天下的局面，競爭的格局將會給用戶帶來許多好處。

[我國GPS的研究與應用]

同樣無法忽視的，還有我們偉大而和諧的祖國，在三個代表的正確引導下，在新一代黨中央國務院的光芒照耀下，北斗導航試驗系統已經北京時間二零零七年二月三日凌晨零時二十八分在西昌衛星發射中心用“長征三號甲”運載火箭成功將第四顆北斗導航試驗衛星送入太空。此前，中國先后于二○○○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發射三顆北斗導航試驗衛星，在此基礎上建立的中國北斗導航試驗系統運行至今工作穩定、狀態良好，已在測繪、電信、水利、交通運輸、漁業、勘探、森林防火和國家安全等諸多領域逐步發揮重要作用。

有關部門負責人表示，在北斗導航試驗系統的基礎上，中國正在實施建設北斗衛星導航系統（Compass Navigation Satellite System），計劃二○○八年左右滿足中國及周邊地區用戶對衛星導航系統的需求，并進行系統組網和試驗，逐步擴展為全球衛星導航系統。這個系統將主要用于國家經濟建設，為中國的交通運輸、氣象、石油、海洋、森林防火、災害預報、通信、公安以及其他特殊行業提供高效的導航定位服務。專家稱，中國自行研制生產的北斗衛星導航系統，不僅具備在任何時間、任何地點為用戶確定其所在的地理經緯度和海拔高度的能力，而且在定位性能上有所創新，希望有一天，賣GPS的人會問：你要美國的還是要北斗的？

好啦，遠在2萬公里高空的事情就到此為止，現在咱們來看看手邊的終端設備——GPS接收機。GPS接收機分成兩大類，一類是嵌入式的，一類是獨立的。

嵌入式GPS是一臺完成特定功能的儀器（比如勘測、導航等等），其中起到衛星定位功能的GPS接收機作為一個部分嵌入其中，這里只介紹GPS車載導航儀，這是因為車載導航是最主要的一類應用。GPS專業車載導航儀專門用于車載導航，大小比PDA、智能手機略大（主流的有3.5吋屏、4.2吋屏、7吋屏），主要用于導航，內置正版的專業導航軟件（如道道通、靈圖、城際通、凱立德、route66等，也有的小品牌可以安裝破解版軟件），一般安裝直流平板陶瓷天線，接受GPS信號能力強大，搜星速度快，可以實現快速開機導航。由于整個機器都是用于導航的，所以比PDA、手機的GPS導航操作更簡單更流暢，很少出現死機、頓機等情況，搜索目的地也快很多。同時最大的特點就是省事。開機就可以用，不用安裝軟件,不用進行設置，不用進行藍牙匹配（這些在手機GPS方案中都要涉及）。有一些機型同時還有mp3播放/mp4播放/圖片瀏覽功能。對于專業的司機來講，最方便可靠的應該是這種一體化的GPS車載導航儀，但對于廣大DIY玩家而言，獨立式GPS的多用途則更重要，畢竟車載導航只是GPS眾多功能中的一項。

獨立的GPS接收機能接收、分析和計算本機位置信息，并通過某種有線或者無線的數字接口（最常見的接口有USB、CF、SD和藍牙，還有使用PS/2也就是鍵盤和鼠標接口的，但比較少見），將定位數據發送到PDA、智能手機、筆記本電腦等，至于接收數據的設備用此做什么——定位導航、記錄人生軌跡、測速、反雷達測速等，GPS接收機是不關心的。使用USB和PS/2接口的GPS最適用于和筆記本電腦連接，在筆記本上運行相應的軟件完成用途。我用的LEADTEK 9559X是藍牙GPS，這種GPS適用于帶藍牙的PDA、智能手機和超移動PC（比如SONY的UX17/18，雖然我很不喜歡日本，但還是不得不承認它這東西是別人無法模仿的，包括國人），在PDA/智能手機上安裝對應其操作系統的應用軟件。除了上述兩大類之外，還有一種是智能手機/超移動PC內置GPS，比如多普達P800和SONY UX系列的GPS可選模塊。