GPS最新研究以及使用报告
   
  

GPS是Global Position System(全球定位系统)的缩写,这个系统是美国国防部从上世纪70年代开始研制,历时20年,耗资200亿美元,于1994年全面建成,具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的卫星导航与定位系统。这个庞大尖端的系统大致上是分三个阶段实施的,第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年,共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年,又陆续发射了7颗试验卫星,研制了各种用途接收机。实验表明,GPS定位精度远远超过设计标准。第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功,表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即(21+3)GPS星座已经建成,今后将根据计划更换失效的卫星。

GPS这个最尖端的系统,要解决的却是“定位和导航”这个几乎全程伴随人类历史的古老需求。在卫星定位系统出现之前数千年里,人类发展了各种各样的定位导航技术,从最为古老的目视法(因为这个方法需要的唯一仪器就是人的眼睛),到后来利用烟火、反光、星象、罗盘,技术在一步步前进,人类踏足的地方也就越来越远,在GPS产生之前,最先进的导航系统是无线电导航系统,比较典型的有:
●罗兰–C:工作在100KHZ,由三个地面导航台组成,导航工作区域2000KM,一般精度200-300M。
● Omega(奥米茄):工作在十几千赫。由八个地面导航台组成,可覆盖全球。精度几英里。
●多卜勒系统:利用多卜勒频移原理,通过测量其频移得到运动物参数(地速和偏流角),推算出飞行器位置,属自备式航位推算系统。误差随航程增加而累加。

其实,GPS并不是第一个使用卫星定位的系统,最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统(Transit),1958年研制,64年正式投入使用。这个系统卫星数目太小(5-6颗),运行高度太低(平均1000公里),从地面站观测到卫星的时间隔太长(平均1.5小时),因而它无法提供连续的实时三维导航,而且精度较低。为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求。1973年美国国防部制定了GPS计划。

简单说,GPS最基本也是最重要的功能,是在广达5.1亿平方公里的巨大地球的表面上(其中海洋占去70%以上,剩下的陆地面积人迹罕至的部分又占去70%以上),给任意一个物体定位,由此而来,衍生了测速、轨迹描绘、导航、防盗反劫、服务救援、远程监控等等重要的应用。说来有点不可思议,这么重要应用范围如此广泛的一个系统,最初投入上百亿美金进行研发制造的人,目标只是为了军用,直到最近几年才开始为广大人民服务。虽然GPS采用了卫星定位技术为依托的最尖端科技,但是它的基本原理并不复杂,其实简直很古老,那就是从欧几里得时代以来人们已经掌握的三角定位法。

[GPS的定位方法]

(为了建设和谐社会,下面插播教学内容,请学历过高和性急的读者直接跳过)什么是三角定位呢?咱们用简化的二维平面来说明,假设你在一个一望无际的大草原上发呆,放眼望去,四周全是一模一样的草地,无穷无尽,你手里唯一的东西就是一张平面图,标明草原上分布着一些基站,但问题是你完全不知道它们在哪儿。那么,要怎么做才能立即确定自己的精确位置呢?第一步,就是要找到一个基站,确定自己和它之间的距离,GPS接收机就是干这个的。好了,你现在用接收机找到了一个基站(尽管它远远在我们视力范围之外,比如说58公里之外),比如找到的是6号基站,这看起来帮助不大,你还是对自己的位置毫无头绪。不过,这意味着,你在以6号基站为圆心,以58公里为半径的大圆圈上,对么?好,现在动手找到下一个基站,它甚至更远,94公里外的2号基站,但这也就告知你在以2号基站为圆心,以94公里为半径的更大的圆圈上。欧氏几何已经得到结论说,平面上两个圆有三种情况:不相交、相交于一点(也叫相切)、相交于两点。在实际情况中,不相交将会得出你同时在两个圆上,因此同时身处两处的矛盾,所以不会发生;相切是一种极端情况,这种情况下你只可能在这个点上(因为同时在两个圆上的点,就只有这一个点);绝大多数情况下是两圆相交,你同时身处两圆上,因此你必然在两个交点之一上,问题是在哪个交点上呢?这时只要找到第三个基站的距离,画一个圆,看经过刚才两个点中哪一个,你的位置就确定啦!现在你虽然还是站在大草原上四野茫茫,但对自己的位置,已经一清二楚了。

GPS定位根本原理是一样的,但是因为要追求极高的准确度,引入了信号传播时间的变量(定位信号一秒钟传播30万公里,GPS卫星都在2.02万公里左右的高空,地面收到信号大约有0.067秒的延时),这样我们所在点有四个未知数X, Y, Z ,T即经度、纬度、高度和时间。GPS卫星发送的信号包含四个已知数据X1、Y1、Z1、T1,如果我们能收到4颗或者4颗以上的卫星发来的信号(X1、Y1、Z1、T1)、(X2、Y2、Z2、T2)……(X4、Y4、Z4、T4),就可以得到以下四个方程:

先别晕,这几条方程其实很简单,每一条都是一个引入了信号传播距离(c△ti)的球面方程,用上一段的例子想一下马上就明白了,我再把四条方程式中各个参数的含义说一下:
待测点坐标x、 y、 z 和Vto为未知参数,其中di=c△ti (i=1、2、3、4)。
di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。
△ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。c为GPS信号的传播速度(即光速)。
x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。
xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标,可由卫星导航电文求得。
Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差,由卫星星历提供。Vto为接收机的钟差。
由以上四个方程联立即可解出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差Vto,而接收机也正是这么干的。

[现代GPS组成部分]

为了缩小定位误差圆概率模糊区、降低收敛时间、提高快速跟踪的响应精度,具体系统当然还要复杂好多好多,现代的GPS系统由三个独立的部分组成:
●空间部分:21颗工作卫星,3颗备用卫星。
GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成,这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座,其中21颗为可用于导航的卫星,3颗为活动的备用卫星。这24颗卫星分布在6个倾角为55°的轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为12恒星时。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS用户正是利用这些信号来进行工作的。
● 地面支撑系统:1个主控站,3个注入站,5个监测站。
GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成,根据其作用的不同,这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个,位于美国克罗拉多(Colorado)的法尔孔(Falcon)空军基地,它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据,计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等,并将这些数据通过注入站注入到卫星中去;同时,它还对卫星进行控制,向卫星发布指令,当工作卫星出现故障时,调度备用卫星,替代失效的工作卫星工作;另外,主控站也具有监控站的功能。监控站有五个,除了主控站外,其它四个分别位于夏威夷(Hawaii)、阿松森群岛(Ascencion)、迭哥伽西亚(Diego Garcia)、卡瓦加兰(Kwajalein),监控站的作用是接收卫星信号,监测卫星的工作状态;注入站有三个,它们分别位于阿松森群岛(Ascencion)、迭哥伽西亚(Diego Garcia)、卡瓦加兰(Kwajalein),注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。
● 用户设备部分:接收GPS卫星发射信号,以获得必要的导航和定位信息,经数据处理,完成导航和定位工作。GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。

[LEADTEK 9559X实际应用举例]

GPS跟其他所有电子产品一样,有一大堆参数规格和指标,最重要的决定因素,显然是采用了那种主芯片,主芯片相当于计算机的处理器,它在很大程度上决定了卫星接收的精度和速度。

以LEADTEK 9559X为例,它内置目前占主流的Sirf(瑟浮)三代芯片,属于GPS中的高端产品,冷开机定位只要40—50秒,热开机定位只要1—2秒,简直吓人,而且定位精准度也很高,市面大多数GPS用的也都是Sirf III,具有20个卫星通道(Sirf二代有12个通道,不过我觉得12个当前也够了,在任意一个地点最多只能收到11颗左右的GPS卫星,除非是采用GPS+GLONASS或GPS+伽利略联合定位方案,但这不是暂时能用上的)。其他的还有日本SONY的芯片和瑞士RFMD芯片。这些芯片在实际使用中的效果,和Sirf的有明显的差距。

说到这里,我不得不抱着万分激动的心情,向大家汇报一个好消息,根据报道,我国自主研发具备国内外先进水平的GPS主芯片已经诞生了!报道说:“我国第一套具有完全自主知识产权的高性能GPS芯片组,日前在西安市高新区研制成功,打破了国外垄断,填补了我国在卫星导航芯片领域的空白。得悉喜讯,西安市委常委、高新区党工委书记、管委会主任景俊海于2006年11月9日来到华迅微电子公司,为他们取得的成果表示祝贺,并和该公司总经理周文益一起探讨企业发展问题。在和华迅公司总经理周文益博士交谈时,景俊海指出,我国第一套具有完全自主知识产权的高性能GPS芯片组在西安高新区诞生,填补了我国西部地区无国家级大芯片的空白!对中国卫星导航产业具有里程碑和划时代的意义!标志着中国具有完全自主知识产权的GPS芯片组可正式投入大批量生产!对国防建设、国土安全和卫星导航产业发展将产生巨大的推动作用!对提升西安、陕西集成电路产业在全国的地位和影响力具有重要意义!他说,这项成果不仅是我国卫星导航应用产业的特大喜讯!也是陕西高科技产业的特大喜讯!对于提升陕西在集成电路方面在全国的影响力,打造陕西高科技产业强省,提升陕西在我国高科技领域的地位以及促进中国导航产业的快速发展都具有非常重要的意义!景俊海说,华迅公司GPS芯片组的研发成功,对陕西西安来说,获得了在此领域内的先发优势!对于在西安形成GPS导航产业链以及带动陕西经济快速发展都将起到极大的促进作用!他希望华迅公司再接再厉,坚持自主创新,让创新成果尽快知识产权化、产业化、规模化和国际化!”

看来,华讯微的芯片马上就要全面站领主流市场,使中国在整个GPS产业中成为中流砥柱了。同志们,咱们拭目以待吧。

[GPS启动与匹配]

GPS接收机的启动方式有三种方式:冷启动、温启动和热启动,一般来讲,在你打开GPS开关的时候,它用哪种启动方式是自行判断的,而且也不会告诉你,除非你用软件指定启动方式后手工启动。
冷启动:以下几种情况开机均属冷启动。初次使用时、电池耗尽导致星历信息丢失时、关机状态下将接收机移动1000公里以上距离,以及用软件手工冷启动。
温启动:距离上次定位的时间超过两个小时的启动,以及用软件手工温启动。
热启动:距离上次定位的时间小于两个小时的启动,以及用软件手工热启动。
这几种方式最主要的不同在于星历更新的方式不同,有两套星历用于定位:概要的和精确的,概要星历记载了一些基础但是不很准确的数据,这些数据在几个月内都不需要更新,而精确星历记录了一些精确的但是变化的数据,这些数据只能保持几个小时的有效性。更新全套概要+精确星历可能会花掉15分钟的时间,单独更新精确星历也要几十秒钟。
热启动基本不丢失任何星历(因此也就没有更新时间),GPS立刻开始工作,在这种情况下,才可能看到1—2秒TTFF这样的情况,TTFF是Time To First Fixes,初次定位时间;温启动会导致一小部分精确星历的丢失,因此定位时间会长一些;冷启动会导致全部精确星历的丢失,这时必须全部更新,在通常情况下,这会花费1分钟或者更多的时间。9559X曾经跑出过40几秒的冷启动TTFF,这肯定能让好多人羡慕了。

蓝牙GPS和智能手机的匹配一直是最困扰使用者的难题,在这方面讲几句我的感受,以LEADTEK 9559X和DOPOD 828+(操作系统windows mobile 2003第二版)的匹配为例。第一步,在打开GPS以后,用手机搜索蓝牙设备,可找到“leadtek 9559 series BT GPS”,添加此设备,这一步谁都能成功。第二步就比较重要,为此设备创建一个COM端口,这是因为绝大多数GPS软件都是通过串行口的方式使用GPS信息流,因此必须把一个COM口指定给GPS,好让软件可以用以读写数据。实际上不管是蓝牙还是CF、SD接口的GPS,都有分配串口的步骤(不管是自动还是手动的),最好记住对应GPS的串口号,如果实在不知道,下一步就只能一个一个试。

这两步做好以后,第三步工作是“看到”GPS和手机/笔记本之间的通信,这一步需要一个调试软件,我用的是LEADTEK出的 Winfast Navigator,这是丽台出的一个免费的GPS观察和调试软件,相当好用,有Windows、Winodws Mobile和PALM三个版本,下载地址(http://www.leadtek.com.tw/cht/support/download.asp)。连上GPS以后,可以直观地看到各卫星信号列表和强度、数据流细节和星座图,并且能手工冷、温、热启动GPS,以及指定GPS在NEMA和Sirf两种模式下的各项具体参数。类似的软件还有GPSViewer,它不如Winfast Navigator功能强大,但是有自动扫描串口的功能。

[通讯标准及实际连接]

手机(或者PDA、笔记本电脑)和GPS相连的第一步,是要解决所采用的通讯标准。有两个流行的标准,NEMA和Sirf。虽然SiRF标准更新也更优秀,但是NMEA是主流标准而且95%以上的应用程序所支持。什么是标准?标准就是GPS用来和应用程序沟通的规则,只有按照既定的规则沟通,GPS才能听懂应用程序的指令,同时发送的数据能够让应用程序理解。标准就相当于人类的语言,你不妨把NEMA想象成英语,Sirf是汉语。绝大多数GPS都能流利的讲两种语言。那为什么会有两种标准呢?这是因为NMEA(National Marine Electronics Association,美国国家海军电子协会)标准在制定时主要是为4800波特率( baud rate) 也就是4kbps通信设计的,这在当前看来已经比较慢了,现在模拟式Modem都已经是56K了,数字MODEM(比如ADSL)甚至还要快得多。SiRF的标准具备很多新特性,并且提升了传输速率,最大到115200bps,因此充分利用了串行端口的带宽。不过,虽然NMEA设计在低速下工作,但如果GPS和手机都比较高档,端口速率较高,很多时候完全可以在更高的速度下正常传输,我的手机和GPS就是用NEMA标准在19200的波特率工作的,定位导航都非常正常。其实,如果我们深入研究的话,GPS发送的数据很少,就算4800波特率也能轻易满足要求,并不一定需要更大带宽。那为什么还要有Sirf呢?这是因为Sirf的新特性允许它以高速瞬间传输数据,然后将处理器置于待机模式下,这是一种低功耗状态,可以有效节省电力并延长GPS使用时间。

好,现在开始和GPS连线,打开9559X,注意到蓝灯(蓝牙指示灯)闪动,说明正在等待连接。打开WinFast Navigator,先进入端口设置页面,选择NEMA标准,端口选择刚才为蓝牙GPS创建的端口号,(在我的机器上是COM5),波特率选择9600(当然更低就更保险但也更慢,9600足够安全了),确认后回到主界面,进入调试(DIAGNOSTIC)页,这个时候如果一切正常,就可以看到一堆一堆的数据在传输,同时9559X上的蓝色灯变为常亮,连线成功!如果没看到任何东西,那就要回去重新调正参数。成功以后,就可以从信号等级(signal level)页看到各个卫星的信号数据,或者从导航(Navigation)页看到当前你所在半球天空中的星座图,注意,你看到的就是两万公里天空上真实的东西。

WinFast Navigator有个很有用的功能,就是手动启动GPS,有冷、热、温三种方式可选,这样就能测试每种方式下的TTFF(初始定位,也就是所谓的搜星时间),我用这种方式测试了LEADTEK 9559X的冷启动搜星时间。我们知道,天上24颗卫星是随时在跑,信号方向和强度不断在变化,大气气象条件也无时不在变化,再加上电磁环境的复杂性,因此不要指望任何两次搜星时间完全一样,根据我的测试,在天气晴好的室外环境下9559X可以在50秒内完成冷启动搜星定位,发现卫星数在11颗左右,在启动一分钟后通常可用卫星有7—8颗。不过这时3D定位虽然完成,但高度通常不太准,会上下浮动好几分钟,经度和纬度就很精确基本不动,这是GPS整个系统的痼疾,只能看我们的北斗星系统了……寒

[定位精度与导航软件]

定位精度问题,英文是DOP(Dilution of Precision精度强弱度),也叫相对误差,一共有六种不同的误差:
Gdop:三维坐标与时间(即几何形状)精度强弱度;为纬度、经度、高程和时间等误差平方和二分之一次方,所以Gdop的平方= Pdop的平方+Tdop的平方。
Hdop:水平(即二维)坐标精度强弱度;为纬度和经度等误差平方和的开根号值。
HTdop:水平坐标与时间精度强弱度;为纬度、经度和时间等误差平方和的开根号值,所以 HTdop 的平方 =Hdop 的平方 + Tdop 的平方。
Pdop:位置精度强弱度;为纬度、经度和高程等误差平方和的开根号值,所以Pdop 的平方 =Hdop 的平方 + Vdop 的平方。具体含义:归因于卫星的几何分布,天空中卫星分布程度越好,定位精度越高。
Tdop:时间精度强弱度;为接收仪内时表偏移误差值。
Vdop:垂直(即高程)坐标精度强弱度;为高程的误差值。
大家可以设纬度误差值为a、经度误差值为b、高程误差值为c、时间误差值为d,代入后可以证明上述公式。

SIRF芯片发展的目前的成熟阶段,对于民用而言基本上定位精度已经不是问题了,尤其是对于9559X这种高端产品而言,一般都在1—2米之内,地图上标定的本机位置通常都非常精确。我做了个实验,带着9559X走一个直径20米左右的圈,它在地图上画了一个很不错的小圆圈。不过这里有个前提,就是信号强度足够。但是当信号被遮挡比如过隧道的时候,有时候会丢掉信号,无法继续导航。

连线这一步走通了,下面的事情就简单了,找一个地图导航软件,安装打开、选定目的地、开始导航。地图软件按照操作系统分类,大致有以下几种:笔记本电脑(WindowsXP/2000/2003系统)下有灵图、OZI、城际通、我的中国地图2006导航版等,还有一个软件叫MyGE(My Google Earth),本身不是一个地图软件,但是可以给Google Earth添加GPS导航功能,使Google Earth摇身一变成为一个超级导航软件(Google Earth的功力,就不用我多说了吧)。Windows Mobile系统,这是微软for PDA和高端智能手机的系统,目前流行的是2003(WM4.2)和WM5两个版本,地图软件主要有凯立德、城际通、灵图、OZI、ROUTE66等。SmartPhote系统,这是微软for低端智能手机的系统,不支持触摸屏,它下面的地图软件主要有凯立德、灵图、papago、mapking 3D、ROUTE66、tomtom等。Sybian系统,这是手机大厂联合推出的智能系统,主要有s60、UIQ等版本,地图软件主要有ROUTE66、tomtom、凯立德等。

这种应用层面的文章已经有太多太多,这里就不想再多讲了,其中的乐趣,留给使用者去慢慢体会。对了,说一句,GPS导航系统经过几年的发展,已经发展到在输入目的地以后,完全可以自主规划线路、全程提供导航,把你带到一个你从未去过的陌生地方,而且位置一定是基本准确的,这个大家只要找一种地图软件用一下就知道了。但是,目前的定位和导航从智能水平上讲还绝对不能和旁边坐着一位经验丰富了解路况的老司机相比,因此不能过于迷信,尤其是类似北京的四元桥及其周围这种主辅路交错复杂路口极多的情况,完全不加判断按照导航指令走,是一定会迷路的。我建议是这样,在走不熟悉的路之前,先用导航系统把路径规划出来,上路之前好好看一遍,把经过的重点位置和转弯路口都记下来,然后再开始走,走的时候把导航指令和头脑中的路线进行对比,这样会容易得多。

越创公司简介

深圳市东莞越创实业有限公司是一家致力于GPS导航定位产品与驾驶安全预警系统于一体的高科技企业,公司位于深圳市宝安区高新技术产业园,公司现有GPS导航仪、雷达安全预警等系列产品。卓越创通与众多国际知名汽车电子企业的战略合作,使公司能够迅速掌握和了解全球同步的高精尖技术资源,以“科技创造精彩”为核心理念,不断实现技术突破与产品创新。

本公司拥有卓越的研发生产能力,品牌运营的资源整合,创新畅通的销售渠道。全力向现代化的高科技企业目标前进。

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