GPS基础知识

驾车出行，在陌生的道路上，该往哪个方向走，哪条路最近，是停车问路还是低头看地图？都不用。移动GPS卫星导航系统将给你包打天下。

一、GPS相关基础知识

GPS即全球定位系统（Global Positioning System），简单地说，这是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统。这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星， 以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。GPS全球卫星定位系统由三部分组成：空间部（GPS星座）、地面控制部分（地面监控系统）、用户设备部分（GPS 信号接收机）。

由于GPS系统受美国政府拥有和控制，在非常时期（如战争期间），民用GPS服务可能会受到影响。

1、定位导航技术的发展

按照定位导航所依赖的参照物，定位导航技术的发展分为两个阶段：被动利用参照物阶段和主动建立参照物阶段。

被动利用参照物阶段：人类综合利用星历知识、指南针和航海表来进行导航和定位。

主动建立参照物阶段：二十世纪后，随着科学技术水平的不断提高，人类的思维从被动地利用宇宙中的参照物（如星体）扩展到主动地建立和利用人为的参照物来开发更精密的导航定位系统。根据人为参照物的位置不同，主动阶段又可分为地基导航系统和空基导航系统。

（地基导航系统：地基导航系统主要由在世界各地适当地点建立的位于地面的无线电参考站组成，接收机通过接收这些参考站发射的无线电电波并由此计算接收机到发射站的距离。目前大约有100种不同类型的地基导航系统正在运行， 其中最著名的有劳兰系统（Loran C/D）、奥米加系统（OMEGA）、甚高频全向无线电信标系统（VORTAC）等。

由于地基导航系统的无线电发射参考站都建立在地球表面上，因此它们只能用来确定物体的水平位置，即只能进行二维定位，给出位置的经纬度信息。这是地基系统本身固有的缺陷。为了对空间飞行器（如飞机、宇宙飞船、导弹等）进行精密导航， 需要确定飞行器的三维位置（水平位置和高度）。显然地基系统不能满足这种需 要，于是人类就设想是否可以将无线电发射参考站建立在空中。

空基导航系统：1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星的成功发射使人类将无线电发射参考站建立在空中的设想成为现实，由此天基导航系统应运而生。天基导航系统又称为卫星导航系统。第一代空基导航系统有美国的海军导航卫星系统（NNSS）和前苏联的奇卡达卫星导航系统（Tsikada）。

第二代空基 导航系统有美国的全球卫星导航系统（GPS）、前苏联建立现属于俄罗斯联邦的GLONASS系统、欧盟尚未投入使用的伽利略系统(Galileo)。第三代空基导航系统“卫星无线电定位系统”，典型代表是美国正在研制的“吉奥星系统”。中国正在开发的北斗导航系统也属于第三代空基导航系统（首颗“北斗导航试验卫星”已于2000年10月31日成功发射）。

2、GPS历史

卫星导航定位系统实现了全球、全天候、连续、实时、高精度导航定位，对人类活动影响极大，获得了最广泛的应用。就目前的情况来看，GPS仍是卫星导航定位行 业中的龙头老大，以至于提起全球卫星导航系统就是GPS。

而从严格意义上讲全球卫星导航系统包括GPS、GLONASS、GALILEO、GNSS等所有 系统。本文所提到的GPS专指美国的第二代全球卫星导航系统（GPS）。

1973 年美国国防部批准其陆海空三军联合研制第二代卫星导航定位系统——授时与测距导航系统/全球定位系统（Navigation System Timing andRanging/Global Position System-NAVSTAR/GPS），简称全球定位系统（GPS）。GPS系统设计克服了子午仪系统的缺陷，实现全天候、全球性和高精度的连续导航与 定位。

1978年2月22日第一颗GPS实验卫星成功发射。

1978年11月全球定位系统开始定位导航服务。

1993年6月26日最后一颗工作卫星于发射升空。

1995年7月17日，达到全功能应用(full Operational Capability——FOC)

2000年5月1日，美国总统克林顿在白宫宣布解除终止选择提供性政策（SA）。此项决定将立即改善定位精度，单GPS接收机定位精度将好于20米。

从1973年到1993年，GPS系统的建立经历了近20年，耗资过百亿美元，它是继阿波罗登月计划和航天飞机计划后的第三项庞大空间计划。

3、GPS系统构成

全球定位系统由三部分构成：地面监控部分、空间部分和用户装置部分。

地面控制部分：GPS的地面监控部分目前主要由分布在全球的5个地面站组成，其中包括主控站、卫星检测站和信息注入站。

空间部分：24颗卫星基本均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面相对赤道平面的倾角为55°，各轨道平面之间的交角为60°，每个轨道平面内的卫星相差 90°，任一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30°。卫星轨道平均高度为20200km，卫星运行周期为11小时58分。每颗卫星每 天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目随时间和地点而不同，可为4至11颗。

GPS的空间部分和地面监控部分是用户广泛应用该系统进行导航和定位的基础，均为美国所控制。

用户装置部分：GPS的用户设备主要由接收机硬件和处理软件组成。用户通过用户设备接收GPS卫星信号，经信号处理而获得用户位置、速度等信息，最终实现) 利用GPS进行导航和定位的目的。 GPS卫星接收机种类很多，根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型；根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。

4、GPS系统定位原理

GPS 系统定位的原理主要是测定用户至卫星的距离来定位。测定某点至已知位置的三颗卫星的距离即可确定某点的三维坐标。为什么GPS系统要设计成任何时间都能收 到四颗卫星的信号呢？因为GPS接收机中的时钟，不可能设置昂贵的原子钟，所以就利用测定第四颗卫星，来校准GPS接收机的时钟。

1．确知卫星所处的准确位置。

GPS系统场面控制部分的监测站通过各种手段，连续不断监测卫星的运行状态，适时发送控制指令，使卫星保持在正确的运行轨道。将正确的运行轨迹编成星历，注入卫星，且经由卫星发送给GPS接收机。正确接收每个卫星的星历，就可确知卫星的准确位置。

GPS系统在每颗卫星上装置有十分精密的原子钟，并由监测站经常进行校准。卫星发送导航信息，同时也发送精确时间信息。GPS接收机接收此信息，使与自身的时钟 同步，就可获得准确的时间。每测量三颗卫星可以定位一个点。利用第四颗卫星和前面三颗卫星的组合，可以测得另一些点。理想情况下，所有测得的点，都应该重合。但实际上，并不完全重合。正是利用这一点反过来可以校准GPS接收机的时钟。

3．测定卫星至用户的距离

为了获得距离观测量，主要采用两种方法：第一种方法是测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间，称为伪距测量；第二种方法是测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波相位测量。采用伪距观测量定位速度最快，而采用载波相位观测量定位精度最高。通过对4颗或4颗以上的卫星同时进行伪距或相位的测量即可推算出接收机的三维位置。

（传统的GPS定位技术在户外运转良好，但在室内或卫星信号无法覆盖的地方效果较差，而且如果所在位置上空没有3颗以上的卫星，那么系统就无法从冷启动状态实现定位。）

二、什么是AGPS？

AGPS（Assisted GPS），中文直译为网络辅助GPS定位系统。通俗的说AGPS是在以往通过卫星接受定位信号的同时结合移动运营的GSM或者CDMA无线网络基站的定位信息， 就是一方面由具有AGPS的手机获取来自卫星的定位信息，而同时也要靠手机通通过无线通信网络下载辅助的定位信息，两者相结合来完成定位。 [ A－GPS技术是一种结合了网络基站信息和GPS信息对移动台进行定位的技术，可以在GSM/GPRS、WCDMA和CDMA2000网络中使用。该技术需要在手机内增加GPS接收机模块，并改造手机天线， 同时要在移动网络上加建位置服务器、差分GPS基准站等设备。如果要提高该方案在室内等GPS信号屏蔽地区的定位有效性，该方案还提出需要增添类似于EOTD方案中的位测量单元（LMU）。

AGPS的具体工作原理如下所示：

1、AGPS手机首先将本身的基站地址通过网络传输到位置服务器；

2、位置服务器根据该手机的大概位置传输与该位置相关的GPS辅助信息（包含GPS的星历和方位俯仰角等）到手机；

3、该手机的AGPS模块根据辅助信息（以提升GPS信号的第一锁定时间TTFF能力）接收GPS原始信号；

4、手机在接收到GPS原始信号后解调信号，计算手机到卫星的伪距（伪距为受各种GPS误差影响的距离），并将有关信息通过网络传输到位置服务器；

5、位置服务器根据传来的GPS伪距信息和来自其他定位设备（如差分GPS基准站等）的辅助信息完成对GPS信息的处理，并估算该手机的位置；

6、位置服务器将该手机的位置通过网络传输到定位网关或应用平台。

AGPS解决方案的优势主要在其定位精度上。在室外等空旷地区，其精度在正常的GPS工作环境下，可达10米左右，堪称目前定位精度最高的一种定位技术。该技术的另一优点为：首次捕获GPS信号的时间一般仅需几秒，不像GPS的首次捕获时间可能要2～3分钟。

虽然AGPS技术的定位精度很高、首次捕获GPS信号时间短，但是该技术也存在着一些缺点。首先，室内定位的问题目前仍然无法圆满解决。另外，AGPS的定位实现必须通过多次网络传输（最多可达六次单向传输），这对运营商来说是被认为大量的占用了空中资源。

AGPS最主要的问题是用户对于使用移动定位业务必须更换手机难以接受。而且AGPS手机比一般手机在耗电上有一定的额外负担，间接减短了手机的待机时间。除此之外，就是使用有效性问题。由于GPS系统受美国政府拥有和控制， 在非常时期（如海湾战争、反恐战争等），民用GPS服务可能会受到影响，AGPS的定位业务更难以正常运作了。

目前，AGPS的方案提供商主要是美国高通公司和其子公司Snaptrack公司，现在还只能用于CDMA和iDEN网络的市场，相信在不久的将来该定位技术还会用于GSM网络（参见高通公司2002年3月出版的GSM AGPS手机测试移动定位业务报告）。

在美国Sprint PCS和Verizon分别在2001年10月和2001年12月推出了基于GPSONE技术的定位业务，并且通过该技术来满足FCC对E911第二阶段的要求。

三、什么是gpsOne？

gpsOne技术是美国高通公司推出的基于CDMA网络位置业务开发的一种定位技术。为了保证定位的成功率，gpsOne技术是将包括AGPS、三角定位、网络小区等多种定位方式进行融合的一种定位技术。

gpsOne在有GPS卫星信号时，会采用AGPS技术进行定位，而在没有卫星信号的情况下，也可以通过三角定位、网络小区等基站定位技术进行定位。

1、基于CDMA网络的GPSONE技术，在移动通信网络中，通常有以下几种定位技术:

一、基于Cell ID的定位技术，它由网络侧获取用户当前所在的基站Cell信息以获取用户当前位置，其精度取决于移动基站的分布及覆盖范围的大小;

二、基于AFLT的定位技术，AFLT（AdvancedForward Link Trilateration）是CDMA独有的技术，在定位操作时，手机/终端同时监听多个基站的导频信息，利用码片时延来确定到附近基站的距离，最后用 三角定位法算出具体位置;

三、基于AGPS（无线网络辅助GPS定位技术）的定位技术，AGPS将终端的工作简化，由网络侧的定位服务器与终端相互配合完成定位工作，就是将卫星扫描及定位运算等最为繁重的工作从终端一侧转移到网络一侧的定位服务器完成。

（而GPSONE是美国高通公司为基于位置业务开发的定位技术，采用Client/Server方式。它将无线辅助AGPS和高级前向链路AFLT三角定位 法两种定位技术有机结合，实现高精度、高可用性和较高速度定位。

在这两种定位技术均无法使用的环境中，GPSONE会自动切换到Cell ID扇区定位方式，确保定位成功率.）

2、传统GPS与GPSONE优劣分析

GPS技术：由于过于依赖终端性能，即将卫星扫描、捕获、伪距信号接收及定位运算等工作集于终端一身，从而造成定位灵敏度低及终端耗电量大等方面缺陷。

GPSONE技术将终端的工作简化，将卫星扫描及定位运算等最为繁重的工作从终端一侧转移到网络一侧的定位服务器完成。提高了终端的定位精度、灵敏度和冷启动速度、降低终端耗电。

（在GPS卫星信号和无线网络信号都无法单独完成定位的情形下，GPSONE系统会组合这两种信息源，只要有一颗卫星和一个小区站点就可以完成定位，解决了传统GPS无法解决的问题。

GPSONE系统的 基础设施辅助设备还提供了比常规GPS定位高出20dB的灵敏度，性能的改善使GPSONE混合式定位方式可以在现代建筑物的内部深处或市区的楼群间正常 工作，而两种传统方案在这些地方通常是无法正常工作的。）

GPSONE技术：结合了无线网络辅助GPS定位和 CDMA三角运算定位，改善了室内定位效果。CDMA三角运算定位弥补无卫星信号下也能完成定位，其他蜂窝电话网络如GSM/GPRS也有类似自定位技术，但由于CDMA是惟一全网同步（通过GPS）网络，因此定位精度更高。

3、GPSONE的应用情况

截止到2004年上半年，全球一共有14家运营商采用了GPSONE定位技术提供精确定位服务，其中包括美国第一和第四大运营商Verizon和Sprint、日本第一和第二大运营商NTT DoCoMo和KDDI、韩国第一和第二大运营商 SKT和KTF。终端品种超过100种，终端销量超过5000万部。

在国内，中国无线通信标准研究组（ＣＷＴＳ）中的ＷＧ４已经完成制定与位置业务相关的协议规范。中国的CDMA1X网已建成并于2002年正式投入商用，经过一期、二期和三期建设，网络规模逐步扩大和完善，并成为成熟和稳定的网络。

在中国，以GPSONE命名的定位服务由于其使用范围、定位精度、定位灵敏度、终端耗电及启动速度方面比传统GPS均有显著的提高，也随之进入了人们的视线。

电信开通的GPSONE定位业务，已有多款GPSONE终端面世，包括适合老人和儿童使用的特殊终端，各种应用正在不断涌现。其影响将非常广泛，如提高生产效率、增加娱乐、提供基于位置的广告、导航、移动资源管理、资产管理和地理信息访问等。

另外，定位信息还会直接影响人们出行习惯，例如路线的选择、及早避开交通堵塞、对意外事件的处理、陌生路段的查询、以及中途停留地点的选择、对当地资源的利用，包括加油站、食品店、旅馆和出租车等。

位置信息也为那些希望有效吸引潜在客户，并做有针对性的宣传的零售商带来了更多的机会。

因此，中国基于GPSONE定位服务的广阔市场前景是毋庸置疑的。