最新GPS研究和使用報告(下)

[GPS源于軍用]

GPS是Global Position System（全球定位系統）的縮寫，這個系統是美國國防部從上世紀70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的衛星導航與定位系統。這個龐大尖端的系統大致上是分三個階段實施的，第一階段為方案論證和初步設計階段。從1973年到1979年，共發射了4顆試驗衛星。研制了地面接收機及建立地面跟蹤網。第二階段為全面研制和試驗階段。從1979年到1984年，又陸續發射了7顆試驗衛星，研制了各種用途接收機。實驗表明，GPS定位精度遠遠超過設計標準。第三階段為實用組網階段。1989年2月4日第一顆GPS工作衛星發射成功，表明GPS系統進入工程建設階段。1993年底實用的GPS網即（21+3）GPS星座已經建成，今后將根據計劃更換失效的衛星。

GPS這個最尖端的系統，要解決的卻是“定位和導航”這個幾乎全程伴隨人類歷史的古老需求。在衛星定位系統出現之前數千年里，人類發展了各種各樣的定位導航技術，從最為古老的目視法（因為這個方法需要的唯一儀器就是人的眼睛），到后來利用煙火、反光、星象、羅盤，技術在一步步前進，人類踏足的地方也就越來越遠，在GPS產生之前，最先進的導航系統是無線電導航系統，比較典型的有：
●羅蘭--C：工作在100KHZ，由三個地面導航臺組成，導航工作區域2000KM，一般精度200-300M。
● Omega（奧米茄）：工作在十幾千赫。由八個地面導航臺組成，可覆蓋全球。精度幾英里。
●多卜勒系統：利用多卜勒頻移原理，通過測量其頻移得到運動物參數（地速和偏流角），推算出飛行器位置，屬自備式航位推算系統。誤差隨航程增加而累加。

其實，GPS并不是第一個使用衛星定位的系統，最早的衛星定位系統是美國的子午儀系統（Transit），1958年研制，64年正式投入使用。這個系統衛星數目太小（5-6顆），運行高度太低（平均1000公里），從地面站觀測到衛星的時間隔太長（平均1.5小時），因而它無法提供連續的實時三維導航，而且精度較低。為滿足軍事部門和民用部門對連續實時和三維導航的迫切要求。1973年美國國防部制定了GPS計劃。

簡單說，GPS最基本也是最重要的功能，是在廣達5.1億平方公里的巨大地球的表面上（其中海洋占去70%以上，剩下的陸地面積人跡罕至的部分又占去70%以上），給任意一個物體定位，由此而來，衍生了測速、軌跡描繪、導航、防盜反劫、服務救援、遠程監控等等重要的應用。說來有點不可思議，這么重要應用范圍如此廣泛的一個系統，最初投入上百億美金進行研發制造的人，目標只是為了軍用，直到最近幾年才開始為廣大人民服務。雖然GPS采用了衛星定位技術為依托的最尖端科技，但是它的基本原理并不復雜，其實簡直很古老，那就是從歐幾里得時代以來人們已經掌握的三角定位法。

[GPS的定位方法]

（為了建設和諧社會，下面插播教學內容，請學歷過高和性急的讀者直接跳過）什么是三角定位呢？咱們用簡化的二維平面來說明，假設你在一個一望無際的大草原上發呆，放眼望去，四周全是一模一樣的草地，無窮無盡，你手里唯一的東西就是一張平面圖，標明草原上分布著一些基站，但問題是你完全不知道它們在哪兒。那么，要怎么做才能立即確定自己的精確位置呢？第一步，就是要找到一個基站，確定自己和它之間的距離，GPS接收機就是干這個的。好了，你現在用接收機找到了一個基站（盡管它遠遠在我們視力范圍之外，比如說58公里之外），比如找到的是6號基站，這看起來幫助不大，你還是對自己的位置毫無頭緒。不過，這意味著，你在以6號基站為圓心，以58公里為半徑的大圓圈上，對么？好，現在動手找到下一個基站，它甚至更遠，94公里外的2號基站，但這也就告知你在以2號基站為圓心，以94公里為半徑的更大的圓圈上。歐氏幾何已經得到結論說，平面上兩個圓有三種情況：不相交、相交于一點（也叫相切）、相交于兩點。在實際情況中，不相交將會得出你同時在兩個圓上，因此同時身處兩處的矛盾，所以不會發生；相切是一種極端情況，這種情況下你只可能在這個點上（因為同時在兩個圓上的點，就只有這一個點）；絕大多數情況下是兩圓相交，你同時身處兩圓上，因此你必然在兩個交點之一上，問題是在哪個交點上呢？這時只要找到第三個基站的距離，畫一個圓，看經過剛才兩個點中哪一個，你的位置就確定啦！現在你雖然還是站在大草原上四野茫茫，但對自己的位置，已經一清二楚了。

GPS定位根本原理是一樣的，但是因為要追求極高的準確度，引入了信號傳播時間的變量（定位信號一秒鐘傳播30萬公里，GPS衛星都在2.02萬公里左右的高空，地面收到信號大約有0.067秒的延時），這樣我們所在點有四個未知數X, Y, Z ,T即經度、緯度、高度和時間。GPS衛星發送的信號包含四個已知數據X1、Y1、Z1、T1，如果我們能收到4顆或者4顆以上的衛星發來的信號（X1、Y1、Z1、T1）、（X2、Y2、Z2、T2）……（X4、Y4、Z4、T4），就可以得到以下四個方程：

先別暈，這幾條方程其實很簡單，每一條都是一個引入了信號傳播距離（c△ti）的球面方程，用上一段的例子想一下馬上就明白了，我再把四條方程式中各個參數的含義說一下：
待測點坐標x、 y、 z 和Vto為未知參數，其中di=c△ti (i=1、2、3、4)。
di (i=1、2、3、4) 分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4到接收機之間的距離。
△ti (i=1、2、3、4) 分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4的信號到達接收機所經歷的時間。c為GPS信號的傳播速度（即光速）。
x、y、z 為待測點坐標的空間直角坐標。
xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4在t時刻的空間直角坐標，可由衛星導航電文求得。
Vt i (i=1、2、3、4) 分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4的衛星鐘的鐘差，由衛星星歷提供。Vto為接收機的鐘差。
由以上四個方程聯立即可解出待測點的坐標x、y、z 和接收機的鐘差Vto，而接收機也正是這么干的。

[現代GPS組成部分]

為了縮小定位誤差圓概率模糊區、降低收斂時間、提高快速跟蹤的響應精度，具體系統當然還要復雜好多好多，現代的GPS系統由三個獨立的部分組成：
●空間部分：21顆工作衛星，3顆備用衛星。
GPS的空間部分是由24顆GPS工作衛星所組成，這些GPS工作衛星共同組成了GPS衛星星座，其中21顆為可用于導航的衛星，3顆為活動的備用衛星。這24顆衛星分布在6個傾角為55°的軌道上繞地球運行。衛星的運行周期約為12恒星時。每顆GPS工作衛星都發出用于導航定位的信號。GPS用戶正是利用這些信號來進行工作的。
● 地面支撐系統：1個主控站，3個注入站，5個監測站。
GPS的控制部分由分布在全球的由若干個跟蹤站所組成的監控系統所構成，根據其作用的不同，這些跟蹤站又被分為主控站、監控站和注入站。主控站有一個，位于美國克羅拉多（Colorado）的法爾孔（Falcon）空軍基地，它的作用是根據各監控站對GPS的觀測數據，計算出衛星的星歷和衛星鐘的改正參數等，并將這些數據通過注入站注入到衛星中去；同時，它還對衛星進行控制，向衛星發布指令，當工作衛星出現故障時，調度備用衛星，替代失效的工作衛星工作；另外，主控站也具有監控站的功能。監控站有五個，除了主控站外，其它四個分別位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群島（Ascencion）、迭哥伽西亞（Diego Garcia）、卡瓦加蘭（Kwajalein），監控站的作用是接收衛星信號，監測衛星的工作狀態；注入站有三個，它們分別位于阿松森群島（Ascencion）、迭哥伽西亞（Diego Garcia）、卡瓦加蘭（Kwajalein），注入站的作用是將主控站計算出的衛星星歷和衛星鐘的改正數等注入到衛星中去。
● 用戶設備部分：接收GPS衛星發射信號，以獲得必要的導航和定位信息，經數據處理，完成導航和定位工作。GPS接收機硬件一般由主機、天線和電源組成。

[LEADTEK 9559X實際應用舉例]

GPS跟其他所有電子產品一樣，有一大堆參數規格和指標，最重要的決定因素，顯然是采用了那種主芯片，主芯片相當于計算機的處理器，它在很大程度上決定了衛星接收的精度和速度。?

以LEADTEK 9559X為例，它內置目前占主流的Sirf(瑟浮)三代芯片，屬于GPS中的高端產品，冷開機定位只要40—50秒，熱開機定位只要1—2秒，簡直嚇人，而且定位精準度也很高，市面大多數GPS用的也都是Sirf III，具有20個衛星通道（Sirf二代有12個通道，不過我覺得12個當前也夠了，在任意一個地點最多只能收到11顆左右的GPS衛星，除非是采用GPS+GLONASS或GPS+伽利略聯合定位方案，但這不是暫時能用上的）。其他的還有日本SONY的芯片和瑞士RFMD芯片。這些芯片在實際使用中的效果，和Sirf的有明顯的差距。

說到這里，我不得不抱著萬分激動的心情，向大家匯報一個好消息，根據報道，我國自主研發具備國內外先進水平的GPS主芯片已經誕生了！報道說：“我國第一套具有完全自主知識產權的高性能GPS芯片組，日前在西安市高新區研制成功，打破了國外壟斷，填補了我國在衛星導航芯片領域的空白。得悉喜訊，西安市委常委、高新區黨工委書記、管委會主任景俊海于2006年11月9日來到華迅微電子公司，為他們取得的成果表示祝賀，并和該公司總經理周文益一起探討企業發展問題。在和華迅公司總經理周文益博士交談時，景俊海指出，我國第一套具有完全自主知識產權的高性能GPS芯片組在西安高新區誕生，填補了我國西部地區無國家級大芯片的空白！對中國衛星導航產業具有里程碑和劃時代的意義！標志著中國具有完全自主知識產權的GPS芯片組可正式投入大批量生產！對國防建設、國土安全和衛星導航產業發展將產生巨大的推動作用！對提升西安、陜西集成電路產業在全國的地位和影響力具有重要意義！他說，這項成果不僅是我國衛星導航應用產業的特大喜訊！也是陜西高科技產業的特大喜訊！對于提升陜西在集成電路方面在全國的影響力，打造陜西高科技產業強省，提升陜西在我國高科技領域的地位以及促進中國導航產業的快速發展都具有非常重要的意義！景俊海說，華迅公司GPS芯片組的研發成功，對陜西西安來說，獲得了在此領域內的先發優勢！對于在西安形成GPS導航產業鏈以及帶動陜西經濟快速發展都將起到極大的促進作用！他希望華迅公司再接再厲，堅持自主創新，讓創新成果盡快知識產權化、產業化、規模化和國際化！”

看來，華訊微的芯片馬上就要全面站領主流市場，使中國在整個GPS產業中成為中流砥柱了。同志們，咱們拭目以待吧。

[GPS啟動與匹配]

GPS接收機的啟動方式有三種方式：冷啟動、溫啟動和熱啟動，一般來講，在你打開GPS開關的時候，它用哪種啟動方式是自行判斷的，而且也不會告訴你，除非你用軟件指定啟動方式后手工啟動。
冷啟動：以下幾種情況開機均屬冷啟動。初次使用時、電池耗盡導致星歷信息丟失時、關機狀態下將接收機移動1000公里以上距離，以及用軟件手工冷啟動。
溫啟動：距離上次定位的時間超過兩個小時的啟動，以及用軟件手工溫啟動。
熱啟動：距離上次定位的時間小于兩個小時的啟動，以及用軟件手工熱啟動。
這幾種方式最主要的不同在于星歷更新的方式不同，有兩套星歷用于定位：概要的和精確的，概要星歷記載了一些基礎但是不很準確的數據，這些數據在幾個月內都不需要更新，而精確星歷記錄了一些精確的但是變化的數據，這些數據只能保持幾個小時的有效性。更新全套概要+精確星歷可能會花掉15分鐘的時間，單獨更新精確星歷也要幾十秒鐘。
熱啟動基本不丟失任何星歷（因此也就沒有更新時間），GPS立刻開始工作，在這種情況下，才可能看到1—2秒TTFF這樣的情況，TTFF是Time To First Fixes，初次定位時間；溫啟動會導致一小部分精確星歷的丟失，因此定位時間會長一些；冷啟動會導致全部精確星歷的丟失，這時必須全部更新，在通常情況下，這會花費1分鐘或者更多的時間。9559X曾經跑出過40幾秒的冷啟動TTFF，這肯定能讓好多人羨慕了。

藍牙GPS和智能手機的匹配一直是最困擾使用者的難題，在這方面講幾句我的感受，以LEADTEK 9559X和DOPOD 828+（操作系統windows mobile 2003第二版）的匹配為例。第一步，在打開GPS以后，用手機搜索藍牙設備，可找到“leadtek 9559 series BT GPS”，添加此設備，這一步誰都能成功。第二步就比較重要，為此設備創建一個COM端口，這是因為絕大多數GPS軟件都是通過串行口的方式使用GPS信息流，因此必須把一個COM口指定給GPS，好讓軟件可以用以讀寫數據。實際上不管是藍牙還是CF、SD接口的GPS，都有分配串口的步驟（不管是自動還是手動的），最好記住對應GPS的串口號，如果實在不知道，下一步就只能一個一個試。

這兩步做好以后，第三步工作是“看到”GPS和手機/筆記本之間的通信，這一步需要一個調試軟件，我用的是LEADTEK出的 Winfast Navigator，這是麗臺出的一個免費的GPS觀察和調試軟件，相當好用，有Windows、Winodws Mobile和PALM三個版本，下載地址（http://www.leadtek.com.tw/cht/support/download.asp)。連上GPS以后，可以直觀地看到各衛星信號列表和強度、數據流細節和星座圖，并且能手工冷、溫、熱啟動GPS，以及指定GPS在NEMA和Sirf兩種模式下的各項具體參數。類似的軟件還有GPSViewer，它不如Winfast Navigator功能強大，但是有自動掃描串口的功能。

[通訊標準及實際連接]

手機（或者PDA、筆記本電腦）和GPS相連的第一步，是要解決所采用的通訊標準。有兩個流行的標準，NEMA和Sirf。雖然SiRF標準更新也更優秀，但是NMEA是主流標準而且95%以上的應用程序所支持。什么是標準？標準就是GPS用來和應用程序溝通的規則，只有按照既定的規則溝通，GPS才能聽懂應用程序的指令，同時發送的數據能夠讓應用程序理解。標準就相當于人類的語言，你不妨把NEMA想象成英語，Sirf是漢語。絕大多數GPS都能流利的講兩種語言。那為什么會有兩種標準呢？這是因為NMEA（National Marine Electronics Association，美國國家海軍電子協會）標準在制定時主要是為4800波特率（ baud rate） 也就是4kbps通信設計的，這在當前看來已經比較慢了，現在模擬式Modem都已經是56K了，數字MODEM（比如ADSL）甚至還要快得多。SiRF的標準具備很多新特性，并且提升了傳輸速率，最大到115200bps，因此充分利用了串行端口的帶寬。不過，雖然NMEA設計在低速下工作，但如果GPS和手機都比較高檔，端口速率較高，很多時候完全可以在更高的速度下正常傳輸，我的手機和GPS就是用NEMA標準在19200的波特率工作的，定位導航都非常正常。其實，如果我們深入研究的話，GPS發送的數據很少，就算4800波特率也能輕易滿足要求，并不一定需要更大帶寬。那為什么還要有Sirf呢？這是因為Sirf的新特性允許它以高速瞬間傳輸數據，然后將處理器置于待機模式下，這是一種低功耗狀態，可以有效節省電力并延長GPS使用時間。

好，現在開始和GPS連線，打開9559X，注意到藍燈（藍牙指示燈）閃動，說明正在等待連接。打開WinFast Navigator，先進入端口設置頁面，選擇NEMA標準，端口選擇剛才為藍牙GPS創建的端口號，（在我的機器上是COM5），波特率選擇9600（當然更低就更保險但也更慢，9600足夠安全了），確認后回到主界面，進入調試（DIAGNOSTIC）頁，這個時候如果一切正常，就可以看到一堆一堆的數據在傳輸，同時9559X上的藍色燈變為常亮，連線成功！如果沒看到任何東西，那就要回去重新調正參數。成功以后，就可以從信號等級（signal level）頁看到各個衛星的信號數據，或者從導航（Navigation）頁看到當前你所在半球天空中的星座圖，注意，你看到的就是兩萬公里天空上真實的東西。

WinFast Navigator有個很有用的功能，就是手動啟動GPS，有冷、熱、溫三種方式可選，這樣就能測試每種方式下的TTFF（初始定位，也就是所謂的搜星時間），我用這種方式測試了LEADTEK 9559X的冷啟動搜星時間。我們知道，天上24顆衛星是隨時在跑，信號方向和強度不斷在變化，大氣氣象條件也無時不在變化，再加上電磁環境的復雜性，因此不要指望任何兩次搜星時間完全一樣，根據我的測試，在天氣晴好的室外環境下9559X可以在50秒內完成冷啟動搜星定位，發現衛星數在11顆左右，在啟動一分鐘后通常可用衛星有7—8顆。不過這時3D定位雖然完成，但高度通常不太準，會上下浮動好幾分鐘，經度和緯度就很精確基本不動，這是GPS整個系統的痼疾，只能看我們的北斗星系統了……寒

[定位精度與導航軟件]

定位精度問題，英文是DOP（Dilution of Precision精度強弱度），也叫相對誤差，一共有六種不同的誤差：
Gdop：三維坐標與時間（即幾何形狀）精度強弱度；為緯度、經度、高程和時間等誤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（即二維）坐標精度強弱度；為緯度和經度等誤差平方和的開根號值。
HTdop：水平坐標與時間精度強弱度；為緯度、經度和時間等誤差平方和的開根號值，所以 HTdop 的平方 =Hdop 的平方 + Tdop 的平方。
Pdop：位置精度強弱度；為緯度、經度和高程等誤差平方和的開根號值，所以Pdop 的平方 =Hdop 的平方 + Vdop 的平方。具體含義：歸因于衛星的幾何分布，天空中衛星分布程度越好，定位精度越高。
Tdop：時間精度強弱度；為接收儀內時表偏移誤差值。
Vdop：垂直（即高程）坐標精度強弱度；為高程的誤差值。
大家可以設緯度誤差值為a、經度誤差值為b、高程誤差值為c、時間誤差值為d，代入后可以證明上述公式。

SIRF芯片發展的目前的成熟階段，對于民用而言基本上定位精度已經不是問題了，尤其是對于9559X這種高端產品而言，一般都在1—2米之內，地圖上標定的本機位置通常都非常精確。我做了個實驗，帶著9559X走一個直徑20米左右的圈，它在地圖上畫了一個很不錯的小圓圈。不過這里有個前提，就是信號強度足夠。但是當信號被遮擋比如過隧道的時候，有時候會丟掉信號，無法繼續導航。

連線這一步走通了，下面的事情就簡單了，找一個地圖導航軟件，安裝打開、選定目的地、開始導航。地圖軟件按照操作系統分類，大致有以下幾種：筆記本電腦（WindowsXP/2000/2003系統）下有靈圖、OZI、城際通、我的中國地圖2006導航版等，還有一個軟件叫MyGE(My Google Earth)，本身不是一個地圖軟件，但是可以給Google Earth添加GPS導航功能，使Google Earth搖身一變成為一個超級導航軟件（Google Earth的功力，就不用我多說了吧）。Windows Mobile系統，這是微軟for PDA和高端智能手機的系統，目前流行的是2003（WM4.2）和WM5兩個版本，地圖軟件主要有凱立德、城際通、靈圖、OZI、ROUTE66等。SmartPhote系統，這是微軟for低端智能手機的系統，不支持觸摸屏，它下面的地圖軟件主要有凱立德、靈圖、papago、mapking 3D、ROUTE66、tomtom等。Sybian系統，這是手機大廠聯合推出的智能系統，主要有s60、UIQ等版本，地圖軟件主要有ROUTE66、tomtom、凱立德等。

這種應用層面的文章已經有太多太多，這里就不想再多講了，其中的樂趣，留給使用者去慢慢體會。對了，說一句，GPS導航系統經過幾年的發展，已經發展到在輸入目的地以后，完全可以自主規劃線路、全程提供導航，把你帶到一個你從未去過的陌生地方，而且位置一定是基本準確的，這個大家只要找一種地圖軟件用一下就知道了。但是，目前的定位和導航從智能水平上講還絕對不能和旁邊坐著一位經驗豐富了解路況的老司機相比，因此不能過于迷信，尤其是類似北京的四元橋及其周圍這種主輔路交錯復雜路口極多的情況，完全不加判斷按照導航指令走，是一定會迷路的。我建議是這樣，在走不熟悉的路之前，先用導航系統把路徑規劃出來，上路之前好好看一遍，把經過的重點位置和轉彎路口都記下來，然后再開始走，走的時候把導航指令和頭腦中的路線進行對比，這樣會容易得多。

[總結]

使用GPS的過程中，我隨時都有一種10幾年前科幻電影里的東西如今變成了現實的奇妙感覺，想想吧，價值幾百億美金的尖端全球衛星系統在頭頂軌道上運行，正在無時無刻跟蹤我的位置并提供導航服務，這種感覺是如此微妙，用筆很難刻畫出來。報道說到09年全國GPS的市場將突破百億元人民幣，這真是一個龐大的市場，隨著科技人性化時代的到來，GPS車載導航系統逐漸顯示出其強大的生命力和廣闊的應用前景，可以讓駕車者對行駛道路了如指掌，并提供全程語音提示，駕車者無須觀察顯示界面就可能實現導航的全過程，使得行車更加安全舒適。對于那些熱愛戶外運動，汽車越野愛好者來說GPS讓他們再也不會為迷失方向而苦惱。對于那些熱愛“走出去”的都市人群，GPS將成為休閑、娛樂、旅游探險不可缺少的必備工具，引領時尚前沿消費市場。

麗臺9559X藍牙GPS使用諾基亞BL5兼容電池

最后大力感謝麗臺提供的LEADTEK 9559X藍牙GPS，它內建業內領先的Sirf第三代芯片并采用最新算法，業界定位最精準，外型出自榮獲國際IF設計大賞名師之最新力作，僅49克極精巧機身設計，特殊設計高感度藍芽１5公尺以上的超強接收力，C/N值可高達46更遠超過市面接收靈敏度甚低的機種，品質優異物美價廉，實為居家生活、外出旅行、汽車導航、登山越野、尋仇避敵、畏罪潛逃之必備裝備！

附：Leadtek LR9559X藍牙GPS產品詳細信息