从定位技术运用角度漫谈GPS定位技术的发展史

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更多发布于：2006-07-05 15:08

全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。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。经近 10 年我国测绘等部门的使用表明， GPS 以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科。在这些应用中，GPS在定位技术的应用上的发展可以分为4个阶段（如下图所示）：
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 <IMG src="http://www.membertec.com/manage/uploadfiles/2006741/20067414262_51963.JPG" align=middle border=0>
图定位技术的发展
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。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，定位技术的发展正经历4代的更迭。
 
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。
 
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。
在此情况下，第二代定位技术产生了，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。于是RTK技术广泛发展起来。RTK技术是在已知坐标的点上假设一个基站，用户只要使用流动站(Rover)测量/导航，通过不断地和基站通信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。
 
现阶段，以网络RTK为代表的第三代定位技术已经悄然兴起并蓬勃发展。网络RTK将广域差分技术和传统的RTK技术相结合，在GPS使用密集的地区，由政府建立控制网（城域，省域，全国等），并通过数据中心和发射台处理和发射差分信号，免去了用户建立基站的烦扰。用户只要将流动站的GPS粗略定位坐标(初始化值)通过GSM/GPRS传给控制中心，控制中心根据用户的概略坐标和附近的合适的参考站（或虚拟参考站）差分，并求得精确坐标，网络RTK的精度可以达到厘米级。美国、加拿大、日本等国家甚至建立了全国范围的CORS（连续观测参考站）系统，我国北京也已建成全市的CORS系统，并将在北京08奥运发挥重要的作用。
 
在另一方面，单点定位技术在一个长时间的冷淡期后也得到了发展。精密单点定位技术就是这个发展的成果。它不需要差分，而是从实际信号的传播出发，充分考虑信号发射、传播和接收的误差源：通过精密星历，得到精密轨道和精密卫星钟差，通过各种模型和算法估计电力层和对流层的影响，最大限度地减少误差，达到实时或事后分米/厘米级精度。通过全球范围的观测网络，可以计算出卫星的轨道和钟差，并通过Inmarsat海事卫星传给实时用户。第三代定位技术还处在发展阶段，但可以肯定的是它将极大地减小GPS运用难度，并在未来几年中更蓬勃地发展。
 
第四代即未来的定位技术是怎样的我们还不得而知，但可以肯定的是，卫星定位导航系统（GNSS）会大大地发展：美国政府以证实GPS将增设更多的频道已用于定位；俄罗斯政府也在积极改进原有的GLONASS系统，增发更多的卫星；我国政府也在原有北斗双星系统的基础上发射第三颗卫星，并将北斗卫星服务改进以适应为未来的需要；欧洲的伽利略系统也已经上马，它吸收了GPS和GLONASS的成功经验和失败教训，在信号使用上少了许多限制，必定会大大提高定位精度。
 
在另一方面，卫星信号遮蔽和多路径效应的难题也随着GSM，Wifi和伪卫星等定位技术的发展而得到解决，定位技术将得到更大的丰富。我们相信在不久以后，电影《手机》里的无论你在哪里，都能得到精密定位的梦想一定能得到实现。未来数十年将迎来空间技术发展的黄金期。

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