淺析GPS原理及應(yīng)用

提起Gps我們中間有些人可能對這個名詞比較陌生，提起伊拉克戰(zhàn)爭大家應(yīng)該都比較熟悉。

2003年3月20日，伊拉克戰(zhàn)爭爆發(fā)。大批轟炸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)猛撲向伊拉克首都巴格達(dá)，用炸彈準(zhǔn)確地將一座建筑徹底摧毀，行動代號：“斬首行動”；4月，一架B-1B“槍騎兵”轟炸機(jī)臨時接到任務(wù)，用炸彈摧毀了另一座建筑。他們的目標(biāo)都是一個人：薩達(dá)姆.侯賽因，他們所使用的炸彈都是一種：聯(lián)合攻擊炸彈(JDAM)，這些炸彈之所以都能夠精確的打擊目標(biāo)，是因為他們都是通過衛(wèi)星定位來實現(xiàn)定位，提供這種定位服務(wù)的正是由24顆美國衛(wèi)星組成的全球定位系統(tǒng)--GPS。

GPS是英文GLOBAL POSITIONING SYSTEM 的縮寫。原名為“導(dǎo)航星”(NAVSTAR),是美國國防部于1973年11月授權(quán)開始研制的海陸空三軍共用的美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),是美國繼阿波羅登月飛船和航天飛機(jī)之后第三大航天工程。1994年全面建成，歷時20年，耗資300億美元。

GPS全球定位系統(tǒng)是一個無線電空間定位系統(tǒng),它利用導(dǎo)航衛(wèi)星和地面站為全球提供全天候﹑高精度﹑連續(xù)﹑實時的三維坐標(biāo)(緯度，經(jīng)度,海拔)﹑三維速度和定位信息,地球表面上任何地點均可以用于定位和導(dǎo)航。

GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分—GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分—GPS信號接收機(jī)。

空間部分—GPS衛(wèi)星星座

GPS空間部分使用24顆高度約2.02萬千米的衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座，其中由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座，記作（21+3）GPS星座。 24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，軌道傾角為55度，各個軌道平面之間相距60度， 即軌道的升交點赤經(jīng)各相差60度。每個軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差90度， 一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30度。衛(wèi)星的分布使得在全球的任何地方，任何時間都可觀測到四顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形（DOP）。這就提供了在時間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰Α?

地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng)

地面監(jiān)控部分包括四個監(jiān)控間、一個上行注入站和一個主控站。監(jiān)控站設(shè)有GPS用戶接收機(jī)、原子鐘、收集當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)的傳感器和進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理的計算機(jī)。監(jiān)控站的主要任務(wù)是取得衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送至主控站。主控站設(shè)在范登堡空軍基地。它對地面監(jiān)控部實行全面控制。主控站主要任務(wù)是收集各監(jiān)控站對GPS衛(wèi)星的全部觀測數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)計算每顆GPS衛(wèi)星的軌道和衛(wèi)星鐘改正值。上行注入站也設(shè)在范登堡空軍基地。它的任務(wù)主要是在每顆衛(wèi)星運行至上空時把這類導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站的指令注入到衛(wèi)星。這種注入對每顆GPS衛(wèi)星每天進(jìn)行一次，并在衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進(jìn)行最后的注入。

用戶設(shè)備部分—GPS信號接收機(jī)

GPS接收機(jī)可接收到可用于授時的準(zhǔn)確至納秒級的時間信息；用于預(yù)報未來幾個月內(nèi)衛(wèi)星所處概略位置的預(yù)報星歷；用于計算定位時所需衛(wèi)星坐標(biāo)的廣播星歷，精度為幾米至幾十米（各個衛(wèi)星不同，隨時變化）；以及GPS系統(tǒng)信息，如衛(wèi)星狀況等。

GPS接收機(jī)對碼的量測就可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，由于含有接收機(jī)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。

GPS接收機(jī)對收到的衛(wèi)星信號，進(jìn)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(yán)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(jī)本機(jī)振蕩產(chǎn)生信號相位之差。一般在接收機(jī)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(jī)和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的，起始?xì)v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(dá)到優(yōu)于米級的定位精度也只能采用相位觀測值。

按定位方式，GPS定位分為單點定位和相對定位（差分定位）。單點定位就是根據(jù)一臺接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)來確定接收機(jī)位置的方式，它只能采用偽距觀測量，可用于車船等的概略導(dǎo)航定位。相對定位（差分定位）是根據(jù)兩臺以上接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)來確定觀測點之間的相對位置的方法，它既可采用偽距觀測量也可采用相位觀測量，大地測量或工程測量均應(yīng)采用相位觀測值進(jìn)行相對定位。

在GPS觀測量中包含了衛(wèi)星和接收機(jī)的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應(yīng)等誤差，在定位計算時還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差的影響，在進(jìn)行相對定位時大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度將大大提高，雙頻接收機(jī)可以根據(jù)兩個頻率的觀測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機(jī)間距離較遠(yuǎn)時（大氣有明顯差別），應(yīng)選用雙頻接收機(jī)。

如：某品牌車載終端技術(shù)參數(shù)
（1） 電源：12VDC，300mA（待機(jī)狀態(tài)下典型值）； 24VDC，150mA（待機(jī)狀態(tài)下典型值），省電模式下小于33mA。
（2） 電源抗反接特性：<28V
（3） 尺寸：170mm × 110mm × 55mm
（4） 重量：0.5kg
（5） 數(shù)字信號傳輸指標(biāo)：
傳輸方式：GPRS
傳輸速率：9600bps
傳輸頻段：900 MHz /1800 MHz
GSM通信模組：SONY-ERICSSON 工業(yè)級模組 GR47
使用頻段：900MHz/1800 MHz
輸出功率：2W
電流消耗：發(fā)射：150mA 平均
空閑：35mA 平均
工作溫度：-20~60℃
支持GPRS功能
GPS性能指標(biāo)
接收板結(jié)構(gòu)：美國SIRF 車載級模組 12通道 C/A碼 L1波段
定位精度：<25米（無SA）在差分下達(dá)到10米以內(nèi)
最大加速度：4g
最大速度：545米/秒
熱啟動時間：<8秒
典型重俘獲時間：1秒
天線：有源微帶扁平天線
接收板電源要求：25mA 5VDC.
工作溫度：-40~85℃
（7） 工作溫度：-20~60℃
（8） 儲存溫度：-40~85℃
（9） 相對濕度：≤93 %

GPS不僅用于導(dǎo)彈、飛船的導(dǎo)航定位，更是廣泛用于飛機(jī)、汽車、船舶的導(dǎo)航定位，公安、銀行、醫(yī)療、消防等用它建立監(jiān)控、報警、救援系統(tǒng)，企業(yè)用它建立現(xiàn)代物流管理系統(tǒng)，農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)保、資源調(diào)查、物理勘探、電信等都離不開導(dǎo)航定位，特別是隨著衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的集成微型化，出現(xiàn)各種融通信、計算機(jī)、GPS于一體的個人信息終端，使衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)從專業(yè)應(yīng)用走向大眾應(yīng)用，成為繼通信、互聯(lián)網(wǎng)之后的IT第三個新的增長點。以GPS為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用產(chǎn)業(yè)越來越吸引眾多人的關(guān)注。有關(guān)專家預(yù)測，到"十五"末期，我國的衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用市場的總產(chǎn)值將超過100億元，導(dǎo)航定位運營服務(wù)產(chǎn)值超過30億元。衛(wèi)星導(dǎo)航定位產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)是一個具有巨大發(fā)展空間的朝陽產(chǎn)業(yè)。

以上講的是GPS原理，下面我們再來講GPS系統(tǒng)在實際應(yīng)用中是如何實現(xiàn)？GPS系統(tǒng)只是一個單一的定位系統(tǒng)，需要結(jié)合GSM等通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來實現(xiàn)定位信息的傳遞。

GSM（Global System for Mobile Communications環(huán)球移動通訊系統(tǒng)），是一個開放、不斷演變改進(jìn)的系統(tǒng)。這個系統(tǒng)最強(qiáng)的優(yōu)點之一在于擁有國際漫游的功能，消費者可以憑一個號碼，在全球超過159個國家不受阻各地接受同等質(zhì)量的電話服務(wù)。

GSM標(biāo)準(zhǔn)將會繼續(xù)演變改進(jìn)，與無線、衛(wèi)星和移動系統(tǒng)配合下提供大幅增多的服務(wù)，包括高速多媒體數(shù)據(jù)服務(wù)、為同步使用該項服務(wù)而設(shè)的內(nèi)置支援，以及將互聯(lián)網(wǎng)與固網(wǎng)完美結(jié)合。

傳統(tǒng)的定位信息是靠短信息SM方式來傳遞，現(xiàn)在又出現(xiàn)了一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，即GPRS，GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service)的英文簡稱。我們先來介紹傳統(tǒng)的SM方式傳遞定位信息的方式。

①移動交換中心（MSC）同公眾有線網(wǎng)（PSTN）、短消息中心（SMS）、監(jiān)管維護(hù)通過有線方式連接；同蜂窩基站（BSS）通過有線或無線（如微波）方式連接。
②蜂窩基站（BSS）同移動單元（MS）通過無線方式進(jìn)行相互連接，無線工作頻段為900M。
③ 短消息中心（SMS）是實現(xiàn)短訊收發(fā)的信息平臺。其在基站與移動單元之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過無線信令信道進(jìn)行傳輸。

GPS系統(tǒng)工作流程
 
移動目標(biāo)—監(jiān)控中心
①移動目標(biāo)接收GPS衛(wèi)星信號，并解算出所在位置的定位信息；
②移動目標(biāo)將解算出的位置信息通過無線信令信道傳送至蜂窩基站；
③蜂窩基站接收移動目標(biāo)發(fā)射的信息，并將數(shù)據(jù)信息通過短消息中心傳至監(jiān)控中心；
④監(jiān)控中心利用短消息中心傳來的數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)對移動目標(biāo)的定位監(jiān)控。

監(jiān)控中心—移動目標(biāo)
①監(jiān)控中中心執(zhí)行相關(guān)監(jiān)控指令；（如：詢位置指令、監(jiān)聽指令、斷電指令等）
②監(jiān)控指令通過短消息中心傳至蜂窩基站；
③蜂窩基站將監(jiān)控指令信息進(jìn)行調(diào)制發(fā)射，通過信令信道傳至移動目標(biāo)；
④移動目標(biāo)接收蜂窩基站發(fā)射的信息并執(zhí)行相關(guān)指令。

監(jiān)控中心由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、短信接口機(jī)、通信中心管理機(jī)、數(shù)據(jù)中心管理機(jī)、監(jiān)控座席構(gòu)成，可以增加GPRS接口和全國聯(lián)網(wǎng)接口，還可以增加分中心和遠(yuǎn)程座席。關(guān)于GSM方式和GPRS方式的比較我們在后面會講到。

剛才我們介紹了監(jiān)控中心的組成，當(dāng)車在馬路上行使時，我們可以通過監(jiān)控座席來監(jiān)控車輛的位置，要在監(jiān)控地圖上看到監(jiān)控車輛，必須要安裝MapX軟件。

MapX是MapInfo公司向用戶提供的具有強(qiáng)大地圖分析功能的ActiveX控件產(chǎn)品，能夠把基于位置信息的數(shù)據(jù)以高清晰可視化效果的顯示與分析，使車輛位置清晰準(zhǔn)確的在計算機(jī)中反映出來，更好的服務(wù)于用戶。在監(jiān)控座席中它起到了調(diào)用地圖的功能。

MapInfo Professional
        世界領(lǐng)先的繪圖和地理分析軟件，使用它可以創(chuàng)建高度精密、準(zhǔn)確的地圖，你可以隨意的修改地圖軟件，可以自己添加新建的道路和地圖中繪制不詳細(xì)的地點。在監(jiān)控座席中它起到了修改地圖的功能。

GSM定位應(yīng)用系統(tǒng)與GPRS定位應(yīng)用系統(tǒng)的比較

技術(shù)
        GSM傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信方式，包括短信息SM方式和DATA方式。SM方式存在延時大（一般在6—8秒）、通道有阻塞等缺點；DATA方式存在撥號時間長（10秒左右）、通信費用高等缺點。GSM屬于移動通信中的2G（第2代）技術(shù)。

與GSM傳統(tǒng)的電路交換技術(shù)不同，GPRS采用分組交換技術(shù)，具有“永遠(yuǎn)在線”、“自如切換”、“高速傳送”等優(yōu)點，屬于移動通信中的2.5G（2.5代）技術(shù)，它能全面提升移動數(shù)據(jù)通信服務(wù)，目前下行傳輸速率理論上可達(dá)到40kbit/s，上行傳輸速率可達(dá)9.6kbit/s，特別適用于象GPS系統(tǒng)那樣具有突發(fā)性、每次數(shù)據(jù)流量小、總體數(shù)據(jù)流量大、實時性要求高等特點的移動數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用。

覆蓋范圍
        GPRS依托于GSM系統(tǒng)，需要在GSM系統(tǒng)上進(jìn)行改造，才能實現(xiàn)GPRS。目前，國內(nèi)只有中國移動采用了GPRS技術(shù)（中國聯(lián)通選用了CDMA技術(shù)）。根據(jù)中國移動的網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)計劃，大中城市已經(jīng)普及GPRS，GPRS網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量也一直在優(yōu)化中。在某些地區(qū)，還沒有開通GPRS業(yè)務(wù)。

通信費用
        GPRS采用包月+流量計費，可以一直在線，按照接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)量來付費，也可以采用包月方式計費。

        由于可以自由選擇計費方式，對需要密切跟蹤的車輛可以選擇包月方式，而對于不需要密切跟蹤的車輛可以采用按流量計費方式，從而降低整個系統(tǒng)的使用費用。

GPS數(shù)據(jù)根據(jù)不同的指令，其長度不完全一樣，平均按60個字節(jié)計算，加上打包數(shù)據(jù)，每傳一次在100個字節(jié)左右。如果一輛車要求每天監(jiān)控10個小時，每分鐘自動回傳一次位置信息，每月30天，則每月的GPRS信息量為：
100字節(jié)*10小時*60分鐘*30天=1，800，000字節(jié)=1.8M，采用包月20元時，約一個月28元。
但如果選擇SM方式，則費用為：
1條/分鐘*60*分鐘*10小時*30天*0.1元/條=1800元
因此，GPRS特別適用于需要頻繁地發(fā)送數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)總流量較大的場合。

系統(tǒng)設(shè)備
        GPRS的系統(tǒng)設(shè)備相對復(fù)雜一些。與GSM方式的GPS系統(tǒng)相比，需要增加GPRS通信接口；因為必須考慮系統(tǒng)在GPRS通信出現(xiàn)故障的情況下，仍能與車臺保持聯(lián)系，還須增加GSM/GPRS通信的切換程序。

在接入方式上，GSM系統(tǒng)可以采用點對點、DDN、INTERNET等方式；GPRS系統(tǒng)則要看當(dāng)?shù)刂袊�移動的接入條件，有的需要固定IP，有的只須接入INTERNET即可，目前，以后一種方式越來越普及。

車載終端