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浅谈GPS定位原理技术的历史与未来 八大无线产业之一 应用领域更加广阔

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全球定位系统(GPS)作为新一代卫星导航与定位系统,以其全球性、全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点,在我国大地测量、工程测量、海洋测绘、水利、电力、交通、资源勘探和航海等领域均有着广泛的应用。可以说,GPS技术给我国的测绘领域带来了一场深刻的技术革命。在国家重点工程“三峡工程、青藏铁路、西气东输”等重大项目的建设中,GPS接收机被用来进行控制测量、地形测量、地质灾害预警和滑坡检测等工作,在保证工程质量和加快工程建设方面发挥了重要作用。

此外,GPS技术在民用领域发展潜力巨大,伴随着车载GPS导航系统的大量应用和GPS手机的出现,GPS也在逐步走入我们的生活,这是未来GPS市场的巨大增长点。随着全球定位系统的不断改进,硬、软件的不断完善,应用领域正在不断地开拓,目前已遍及国民经济各种部门,并开始逐步深入人们的日常生活。

一、GPS技术的定位原理

GPS定位技术的原理比较简单:卫星向地面接收机发射带有测距码的载波信号,卫星的轨道是已知的(x,y,z),那么地面点在某一时刻通过对接收到的卫星信号进行分析就可以得到卫星到地面点的距离,那么只需要3颗卫星就可以定出地面点的位置,但是接收机的时钟是不准确的,所以需要同时接收4颗卫星的信号(4维)才能准确地交会定出地面点的位置。

总体说来,GPS定位可以分为相对定位和绝对定位。绝对定位也叫单点定位,即利用GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值直接确定用户接收机天线在WGS-84坐标系中相对于坐标原点(地球质心)的绝对位置。相对定位也叫差分GPS定位,即至少用两台GPS接收机,同步观测相同的GPS卫星,确定两台接收机天线之间的相对位置,相对定位的精度较高。

二、GPS技术的发展演进过程

由于信号在传播过程中受到电离层,对流层,多路径和相对论效应等多方面的影响,以及美国SA政策(美国针对民用GPS的信号干扰政策),定位精度一直很难达到理想的情况。为了解决这些不利影响,GPS在定位技术在我国的应用发展可以分为以下几个不同阶段。

⒈ GPS伪距差分技术

第一代的GPS的绝对定位采用的是伪距单点定位,由于伪距的测距码的波长长达几十米,单点定位的效果很不好,一般精度只有几十米甚至上百米,只能用在船只等导航用途上,现在的手持GPS还采用这种定位方式;采用伪距差分定位能将精度提高到十几米到几十米,还是不能用在测绘等领域当中。此时,随着信号处理技术的发展,人们可以更好的分析卫星信号中的载波,载波的波长比测距码要小得多,而且卫星信号中的L1和L2载波(民用码C/A码调制在L1当中,军用码P码调制在L2当中)的波长成倍数关系,当遇到电离层和对流层影响时,信号延迟也成线性关系,可以帮助更好的估计误差影响,于是产生了载波静态相对定位技术,采用此技术,可以将相对精度提高到米级甚至分米级,若采用事后的精密星历后处理,能将精度提高到厘米级,由此,GPS技术广泛应用于测绘领域当中。

但是,载波相对定位中有一个很大的瓶颈:计算整周模糊度(即计算载波在传播过程中的整周期的个数N)的速度很慢,当时的算法计算量很大,一般都需要后处理。也就是说,GPS的这样的定位技术还不能应用到实时的动态定位(大多数应用都需要实时动态)当中。

⒉ GPS实时动态RTK技术

在此情况下,第二代定位技术产生了,即RTK(实时动态)技术。这个技术是基于新的对整周模糊度的搜索算法,这个算法能极大地减小计算量,并能很好的利用连续整周数的变化。RTK技术是在已知坐标的点上假设一个基站,用户只要使用移动站(Rover)测量,通过不断地和基站通信可以求得流动站和基站的相对坐标。RTK技术的精度可以达到分米/厘米级,RTK技术使精密导航成为了可能。另一方面静态相对定位由于通信的问题作用范围还很小(不大于15公里),对于大范围的观测,需要建立很庞大的控制网,这是极大的资源浪费。网络技术的发展极大加速了GPS定位技术的发展,建立数据处理和控制中心,通过网络,我们能建立全国甚至全世界的GPS网络,现在我国的青藏高原形变控制网,国际IGS站网都属于广域差分。现在,第二代定位技术已经相当的成熟,并在我国各行各业中广泛应用,处于第二代产品的壮年期。

第二代GPS定位技术,尤其是RTK技术,使用起来还是有许多的缺陷。例如对于大范围地区,由于通信技术的限制,要建立许多基站的控制网,这是极大的浪费。并且通信还易受到干扰,差分计算也十分繁琐等等。

⒊ 精密单点定位PPP技术

PPP技术由美国喷气推进实验室(JPL) 的Zumberge于1997年提出。20世纪90年代末,由于全球GPS跟踪站的数量急剧上升,全球GPS数据处理工作量不断增加,计算时间呈指数上升。为了解决这个问题,作为国际GPS服务组(IGS)的一个数据分析中心,JPL提出了这一方法,用于非核心GPS站的数据处理。该技术的思路非常简单,在GPS定位中,主要的误差来源于三类,即轨道误差、卫星钟差和电离层延时。如果采用双频接收机,可以利用LC相位组合,消除电离层延时的影响。如果选择地心地固系表示卫星轨道,计算的参考框架同为地心地固系,可以消去观测方程中的地球自转参数。于是,只要给定卫星的轨道和精密钟差,采用精密的观测模型,就能像伪距一样,单站计算出接收机的精确位置、钟差、模糊度以及对流层延时参数。

根据PPP技术的要求,定位中需要系统提供卫星的精密轨道和钟差。目前,国际GPS服务组织(IGS)的几个数据分析中心具备这个能力提供卫星的精密轨道和钟差,但是,这些都是后处理结果。根据IGS的产品报告,IGS提供的卫星轨道精度能够达到2~3cm,卫星钟差的精度优于0.02ns,这种精度的卫星钟差和轨道,能够满足任何精度的定位要求。近10年,由于IGS的努力,GPS卫星预报轨道的精度已经达到十几厘米,预报轨道的时间也由24h预报缩短到3h预报,卫星轨道的精度已经能够满足一般定位的要求。由于IGS现在不能提供实时和外推的精密卫星钟差,制约了实时PPP技术的应用;精密的卫星钟差仍然是PPP技术实时应用瓶颈,目前IGS只有后处理卫星钟差,JPL和GFZ已经有能力提供快速卫星钟差。

⒋ 连续运行参考站(CORS)系统

随着GPS技术的飞速进步和应用普及,它在城市测量中的作用已越来越重要。当前,利用多基站网络RTK技术建立的连续运行卫星定位服务综合系统(英文缩写简称为CORS系统)已成为城市GPS应用的发展热点之一。CORS系统是卫星定位技术、计算机网络技术、数字通讯技术等高新科技多方位、深度结晶的产物。CORS系统由基准站网、数据处理中心、数据传输系统、定位导航数据播发系统、用户应用系统五个部分组成,各基准站与监控分析中心间通过数据传输系统连接成一体,形成专用网络。

通过建设若干永久性连续运行的GPS基准站,提供国际通用格式的基准站站点坐标和GPS测量数据,以满足各类不同行业用户对精度定位,快速和实时定位、导航的要求,及时地满足城市规划、国土测绘、地籍管理、城乡建设、环境监测、防灾减灾、交通监控,矿山测量等多种现代化信息化管理的社会要求。

CORS的建立可以大大提高测绘的速度与效率,降低测绘劳动强度和成本,省去测量标志保护与修复的费用,节省各项测绘工程实施过程中约30%的控制测量费用。由于城市建设速度加快,对GPS-C、D、E级控制点破坏较大,一般在5~8年需重新布设,至于在路面的图根控制更不用说,一二年就基本没有了,各测绘单位不是花大量的人力重新布设,就是仍以支站方式,这不但保证不了精度,还造成了人力物力财力的大量浪费。随着CORS基站的建设和连续运行,就形成了一个以永久基站为控制点的网络。

CORS系统彻底改变了传统RTK测量作业方式,其主要优势体现在:①改进了初始化时间、扩大了有效工作的范围;②采用连续基站,用户随时可以观测,使用方便,提高了工作效率;③拥有完善的数据监控系统,可以有效地消除系统误差和周跳,增强差分作业的可靠性;④用户不需架设参考站,真正实现单机作业,减少了费用;⑤使用固定可靠的数据链通讯方式,减少了噪声干扰;⑥提供远程INTERNET服务,实现了数据的共享;⑦扩大了GPS在动态领域的应用范围,更有利于车辆、飞机和船舶的精密导航;⑧为建设数字化城市提供了新的契机。

目前GPS系统的应用已将十分广泛,我们可以应用GPS信号可以进行海、空和陆地的导航导弹的制导大地测量和工程测量的精密定位时间的传递和速度的测量等。对于测绘领域GPS卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网测定全球性的地球动态参数;用于建立陆地海洋大地测量基准进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘;用于监测地球板块运动状态和地壳形变;用于工程测量成为建立城市与工程控制网的主要手段。用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。

三、GPS技术的未来发展

随着全球卫星导航技术的不断发展,俄罗斯、中国和欧盟也都在建立自己的卫星导航系统,GPS一词也正在被GNSS(GlobalNavigation SatelliteSystem)一词所取代。GNSS包含了美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的Compass(北斗)、欧盟的GALILEO系统,可用的卫星数目将达到100颗以上,可以说过去美国GPS一统天下的局面将被逐步打破。GNSS技术是当前卫星导航技术发展的一大热点,也是未来GPS技术发展的重要方向。

⒈ 卫星导航的多系统并存

首先,用户将面临全球卫星导航四大系统(GPS/GLONASS/Galileo/北斗)近百颗导航卫星同时并存、互相兼容的局面,而它们的民用应用部分也将呈现彼此补充、共享的势态。

其次,用户将面临多系统导航卫星信号的组合、选用和最优化问题。用户要根据各个导航卫星系统的不同特点和优势,针对用户所需的精度、可靠性和费用,选择如何最佳综合利用多系统导航卫星的信息。

第三,是在多领域、多层次的导航卫星应用。导航卫星系统将为导航、定位、授时、测速、测向、测形变、降雨和电离层探测等方面提供服务。

最后,导航卫星领域必将在硬件、应用技术和数据处理等方面会继续不断的改善和提高,价格更便宜、硬件更小型更轻型、应用多功能,使用智能化;它的各类成果在精度和可靠性方面将大幅度提高,并将在各个相关领域里得到越来越广泛的应用。

⒉ 中国“北斗”卫星导航系统的广泛应用

“北斗”卫星导航系统是中国独立发展、自主运行的全球卫星导航系统,同时也是国家正在建设的重要空间信息基础设施。“北斗”系统的建设,促进了全球卫星导航领域的合作发展和技术进步。“北斗”卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成,空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星,地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站,用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲GALILEO等其他卫星导航系统兼容的终端组成。提供两种服务方式,即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务,定位精度为10m,授时精度为50ns,测速精度0.2m/s。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。

根据系统建设总体规划,按照“三步走”的发展战略,2012年左右,系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力;2020年左右,建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。“北斗”全球卫星导航系统计划2015年发射13颗卫星,其中3颗将在最近几周发射升空,目前已成功发射17颗“北斗”导航卫星。

经过多年来的不断发展和建设,“北斗”卫星导航系统已在我国的军事、测绘、渔业、气象、交通运输、水上航行、电信、水利、森林防火、应急救援、指导放牧、减灾救灾和国家安全等诸多领域得到应用,产生了显著的经济效益和社会效益。在2014年11月17日至21日的会议上,联合国负责制定国际海运标准的国际海事组织海上安全委员会,正式将中国的北斗系统纳入全球无线电导航系统。这意味着继美国的GPS和俄罗斯的“格洛纳斯”后,中国的导航系统已成为第三个被联合国认可的海上卫星导航系统,标志着北斗卫星导航系统正式成为全球无线电导航系统的组成部分,取得面向海事应用的国际合法地位。

⒊ GPS在车载导航市场潜力巨大

GPS车载导航

 

通过商业通信卫星,把GPS应用到车辆导航上面,为汽车驾车人指路,就成为了车载导航系统。GPS车载导航系统通过接收GPS卫星信号,可以在市区道路、郊外公路,甚至人迹罕见的沙漠、戈壁、草原等区域为汽车导航,避免司机对道路状况不熟悉带来的麻烦,满足消费者的需求。可以说汽车业的蓬勃发展,使得GPS车载导航市场呈现出迅速增长的趋势。

车载导航地图是车载导航的核心部分,无论是GPS车载导航还是北斗车载导航,都需要有地图作为承载。车载导航系统的最新发展趋势是利用蓝牙(Bluetooth)无线技术,接收车载GPS传送过来的信号。这样,车载系统只需要接收和处理卫星信号,显示装置则负责地图的存储和位置的重叠。所以,如果已经有了掌上型电脑,只需要购买一个信号接收器和成图软件就可以了;掌上电脑就做到了一机多用。其实,很多手机已经具备了GPS的功能,若是加上了地图的重叠功能,就可以变成一套移动导航系统。

随着中国私家车保有量的稳定增长以及智能手机销售量的激增,与之共同发展的中国GPS导航市场也保持了持续高速的增长。未来几年,随着中国汽车保有量的提升以及GPS设备的进一步普及,中国GPS导航市场将迎来更广阔的发展空间。

⒋ GPS技术与移动通讯技术的融合

随着GPS技术的不断发展,未来人们对GPS导航的需求已从最基本的行车导航、路口转弯提示等基础功能,向实时信息和增值服务等基于用户体验的功能转变。GPS卫星导航与无线通信技术相结合,如GPS接收机嵌入到手机移动电话、便携式PC、PDA和手表等通信、安全和消费类电子产品中,从根本上促进IT技术的整体发展,已成为未来GPS技术发展的一个重要方向。随着第四代移动通信技术和宽带技术的发展,根据数字通信的标准和特点,制定新的接收机标准,可以开发第四代卫星导航接收机。

采用移动通讯作为数据通信方式,使得GPS具有以下优势:

① 采用移动通信作为通信工具,减少了对GPSRTK基准站设备的投入,经济效益显著。

② UHF、GSM、CDMA、GPRS,多种通讯方式存在,给基准站与流动站之间提供通讯选择空间。

③ 能够全天候、适时、连续提供高质量的数据。

④ 采用移动通讯的GPS接收机,可以提高单参考站的服务覆盖半径,目前可达50km,理想条件下,可达80km。根据有关技术资料报告,如在整个北京市,采用基于移动通讯方式的VRS系统(虚拟参考站),10个站可控制北京全市,与传统的GPS网络相比,节约成本70%,精度、可靠性也随之提高,而且系统相容性增强。

⑤拓宽了GPS使用范围,在市政建设、交通管理、城市规划、气象、环保、地质灾害预报以及水利、施工勘测等方面发挥更大的作用。

当前,GPS产业已经成为国际上八大无线产业之一(八大无线产业是:无线本地环路,蜂窝,直播卫星(DBS),全球定位系统(GPS),个人通信系统(PCS),将来卫星计划,VSATs,以及无线的局域网),也是目前世界上发展最快的三大信息产业之一,世界各国都在瞄准这一巨大的市场。与此同时,GPS在我国国民经济发展中发挥着越来越重要的作用,我国不仅在加快国产GPS产业化的步伐,也在努力发展自己的“北斗”卫星导航系统。因此,未来多星系统并存的时代,GPS技术也必将在各行各业有着越来越广泛的应用前景。

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