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(tǒng)提供的定位精度是優(yōu)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(shù)：將一臺GPS接收機安置在我們自己設(shè)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(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準站實時將這一數(shù)據(jù)發(fā)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(fā)出的改正數(shù)，并對其定位結(jié)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(wèi)星信號，是含有碼（信息）的載波（載體）。首先，碼可以告訴我們衛(wèi)星到接收機的距離，由于含有接收機衛(wèi)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(shù)，將調(diào)制在載波上的信息去掉后，就可以恢復(fù)載波。嚴格而言，載波相位應(yīng)被稱為載波拍頻相位，它是收到的受多普勒頻移影響的衛(wèi)星信號載波相位與接收機本機振蕩產(chǎn)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(wèi)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(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的，起始歷元的相位整數(shù)也是不知道的，即整周模糊度，只能在數(shù)據(jù)處理中作為參數(shù)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(xù)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(dǎo)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(yīng)用最廣的一種差分。在基準站上，觀測所有衛(wèi)星，根據(jù)基準站已知坐標和各衛(wèi)星的坐標，求出每顆衛(wèi)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(shù)，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(shù)又稱RTK（Real Time Kinematics）技術(shù)，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(fā)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(yīng)用于動態(tài)需要高精度位置的領(lǐng)域。

[其他衛(wèi)星定位系統(tǒng)]

GPS系統(tǒng)并不是咱們頭上唯一的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，前蘇聯(lián)從80年代初開始建設(shè)的GLONASS（GLObal NAvigation Satellite System，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))就是與美國GPS系統(tǒng)相類似的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，也由衛(wèi)星星座、地面監(jiān)測控制站和用戶設(shè)備三部分組成。現(xiàn)在由俄羅斯空間局管理。
GLONASS系統(tǒng)的衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)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(wèi)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(tǒng)不同的是GLONASS系統(tǒng)采用頻分多址(FDMA)方式，根據(jù)載波頻率來區(qū)分不同衛(wèi)星（GPS是碼分多址（CDMA），根據(jù)調(diào)制碼來區(qū)分衛(wèi)星）。每顆GLONASS衛(wèi)星發(fā)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(wèi)星的頻率編號。所有GPS衛(wèi)星的載波的頻率是相同，均為L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz。GLONASS衛(wèi)星的載波上也調(diào)制了兩種偽隨機噪聲碼：S碼和P碼。GLONASS系統(tǒng)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(tǒng)采用了軍民合用、不加密的開放政策。GLONASS衛(wèi)星由質(zhì)子號運載火箭一箭三星發(fā)射入軌，衛(wèi)星采用三軸穩(wěn)定體制，整量質(zhì)量1400kg，設(shè)計軌道壽命5年。所有GLONASS衛(wèi)星均使用精密銫鐘作為其頻率基準。第一顆GLONASS衛(wèi)星于1982年10月12日發(fā)射升空。到目前為止，共發(fā)射了80余顆GLONASS衛(wèi)星，最近一次是2000年10月13日發(fā)射了三顆衛(wèi)星。截止2001年1月10日為止尚有10顆GLONASS衛(wèi)星正在運行。不過因為俄羅斯的綜合國力已經(jīng)大大不如美國，因為在商用方面GPS系統(tǒng)目前遠遠領(lǐng)先。

歐洲的崛起是無法忽視的，伽利略全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是歐洲的衛(wèi)星無線電導(dǎo)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(tǒng)包括30顆導(dǎo)航衛(wèi)星及相關(guān)地面設(shè)施，總投資約34億歐元。2002至2005年是伽利略的發(fā)展階段，預(yù)計系統(tǒng)將從2006年進入部署階段，2008年開始投入商業(yè)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(lǐng)，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(tǒng)的抗干擾能力太差了。一般情況下，在地面接收到的衛(wèi)星信號很弱小。這并不難理解，從太空中的衛(wèi)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(dǎo)航精度降低或產(chǎn)生誤導(dǎo)。五角大樓很早就認識到GPS制導(dǎo)武器的潛在危險，因此一直在從事GPS制導(dǎo)抗干擾技術(shù)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(fā)展的重要一環(huán)。與GPS不同，伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(dǎo)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(tǒng)，飛機能在任何機場降落，而不必考慮機場的技術(shù)設(shè)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(wèi)星失靈，那么它在幾秒鐘之內(nèi)就能發(fā)出警報。


伽利略系統(tǒng)是世界上第一個基于民用目的研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，計劃在2008年建設(shè)完成，屆時將覆蓋全球。由于伽利略系統(tǒng)出生晚，在它的研發(fā)過程中采用了大量的高新技術(shù)，其性能要比美、俄現(xiàn)有的定位系統(tǒng)高不少，此外它還可以與現(xiàn)有的衛(wèi)星定位系統(tǒng)兼容。可以預(yù)見，伽利略系統(tǒng)將擁有廣闊的發(fā)展前景。目前許多對安全有很高要求的領(lǐng)域(如民航客機)，十分看好伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。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(yīng)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(dǎo)下，在新一代黨中央國務(wù)院的光芒照耀下，北斗導(dǎo)航試驗系統(tǒng)已經(jīng)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(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號甲”運載火箭成功將第四顆北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)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(fā)射三顆北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星，在此基礎(chǔ)上建立的中國北斗導(dǎo)航試驗系統(tǒng)運行至今工作穩(wěn)定、狀態(tài)良好，已在測繪、電信、水利、交通運輸、漁業(yè)、勘探、森林防火和國家安全等諸多領(lǐng)域逐步發(fā)揮重要作用。

有關(guān)部門負責(zé)人表示，在北斗導(dǎo)航試驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，中國正在實施建設(shè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Compass Navigation Satellite System），計劃二○○八年左右滿足中國及周邊地區(qū)用戶對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的需求，并進行系統(tǒng)組網(wǎng)和試驗，逐步擴展為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。這個系統(tǒng)將主要用于國家經(jīng)濟建設(shè)，為中國的交通運輸、氣象、石油、海洋、森林防火、災(zāi)害預(yù)報、通信、公安以及其他特殊行業(yè)提供高效的導(dǎo)航定位服務(wù)。專家稱，中國自行研制生產(chǎn)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，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(jīng)緯度和海拔高度的能力，而且在定位性能上有所創(chuàng)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(xiàn)在咱們來看看手邊的終端設(shè)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(dǎo)航等等），其中起到衛(wèi)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(dǎo)航儀，這是因為車載導(dǎo)航是最主要的一類應(yīng)用。GPS專業(yè)車載導(dǎo)航儀專門用于車載導(dǎo)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(dǎo)航，內(nèi)置正版的專業(yè)導(dǎo)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(xiàn)快速開機導(dǎo)航。由于整個機器都是用于導(dǎo)航的，所以比PDA、手機的GPS導(dǎo)航操作更簡單更流暢，很少出現(xiàn)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(shè)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(yè)的司機來講，最方便可靠的應(yīng)該是這種一體化的GPS車載導(dǎo)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(dǎo)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(shù)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(shù)據(jù)發(fā)送到PDA、智能手機、筆記本電腦等，至于接收數(shù)據(jù)的設(shè)備用此做什么——定位導(dǎo)航、記錄人生軌跡、測速、反雷達測速等，GPS接收機是不關(guān)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(yīng)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(yīng)其操作系統(tǒng)的應(yīng)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(nèi)置GPS，比如多普達P800和SONY UX系列的GPS可選模塊。