本節將主要介紹和GPS相關的基礎知識，先來看GPS系統的組成[8]。如圖9-9所示。 :-:  圖9-9　GPS系統組成 由圖9-9可知，GPS包含如下三個段。 * 空間段（Space Segment，SS）：空間段由GPS衛星組成。 * 控制段（Control Segment，CS）：控制段用來控制和監視GPS的運行。控制段包括一個主控站（Master Control Station，位于美國科羅拉多州）、數個監控站（Monitoring Station）、地面控制站（Ground Control Station）以及地面天線（Ground Antenna）。圖9-10為目前GPS系統的CS站點分布圖。 * 用戶段（User Segment，US）：用戶段主要是GPS的使用者。GPS中，用戶被分為民用用戶（Civilian Users）和軍用用戶（Military Users）兩大類。其中，軍用用戶需要得到相關部門的授權才能獲取更高精度的GPS數據。 GPS這三個段將借助GPS規定的通信頻段以及數據封裝格式進行通信。其中，空間段和控制段能雙向通信，而用戶段只能從空間段獲取數據。 :-:  圖9-10　CS站點分布圖 >[info] 說明　GPS提供兩種類型的服務，分別是標準定位服務（Standard Positioning Service，SPS）和精密定位服務（Precision Positioning Service，PPS）。其中，SPS主要面向全世界的民用用戶，而PPS主要面向美國及其盟國的軍事部門以及民用的特許用戶。 下面介紹GPS空間段以及GPS通信及數據包方面的知識。 **1、GPS空間段** GPS空間段的建設歷經了30多年的時間。表9-1展示了這期間GPS衛星更新換代的幾次重要事件。 :-:  :-:  參考資料[10]總結了GPS空間段建造歷史以及GPS衛星發射計劃。 目前為止，GPS空間段由32顆GPS衛星①（衛星的英文名為Satellite，也稱為Space Vehicle，簡寫為SV）組成，這些衛星分布在6個軌道上，每個軌道與地球赤道面的傾角為55度。GPS衛星軌道高度為20180千米，衛星在軌道上的運行周期大約為12小時。不過，由于地球的自轉，人們在地面上觀測GPS衛星，在23小時56分左右會回到最初的觀測位置。圖9-11所示為GPS衛星軌道分布圖。 由于每顆GPS衛星的信號只能覆蓋地球表面的一部分，所以GPS空間段在設計時就保證任何時候，地球表面任何地方都能被至少4顆GPS衛星信號覆蓋。圖9-12為某時刻從地面觀測到的GPS衛星的位置分布圖。 :-:  圖9-11　GPS衛星軌道分布 :-:  圖9-12　2001年4月14日UTC時間12點整GPS衛星分布圖[11] >[info] 提示　為什么要確保至少4顆衛星的信號能覆蓋到地球表面任意地方呢？根據前面介紹的測距原理可知，要計算接收器的位置即（x，y，z）坐標值就需要3顆衛星，而由于接收器時鐘和衛星時鐘的不同步，所以還需要至少一顆衛星用來計算信號傳輸時間。綜上，GPS定位需要至少4顆衛星參與。 在此推薦使用GpsPredict軟件獲取和展示GPS衛星軌道及相關信息。圖9-13所示為該軟件運行時的界面。 :-:  圖9-13　GpsPredict運行界面 >[info] 提示　GpsPredict的軟件下載地址為http://sourceforge.net/projects/gpredict/files/。 **2、GPS通信頻段** GPS衛星和地面監控站以及接收器使用無線電波進行通信，GPS一共使用了三個頻段的無線電波來傳輸數據，如圖9-14[11]所示。 :-:  圖9-14　GPS衛星通信頻段 GPS一共使用三種頻段的無線電波，由于它們都位于無線電頻譜的L頻段，所以它們分別被稱為L1（中心頻率1575.42MHz）、L2（中心頻率1227.60MHz）和L5（中心頻率1176.45MHz）。 在2005年之前，GPS衛星使用L2和L1頻段的無線電波。其中，L1頻段傳輸兩種GPS信號，一個是民用的C/A碼（全稱是Coarse/Acquisition Code），它代表粗捕獲碼數據。另外一個是軍用的P（Y）碼，它代表精測數據（P代表Presice，Y代表數據是加密的）。L2頻段僅傳輸P（Y）碼，即僅供軍用。下文還將詳細GPS信號方面的知識。 IIR（M）型號的GPS衛星在L2頻段上增加了一個名為L2C（C為Civil的意思）的GPS信號。L2C信號可以和C/A信號共同使用（即所謂的雙頻）以減少大氣電離層②的影響從而提高定位精度（其精度甚至能超過軍用級定位的精度，詳情見參考資料[12]）。另外，L1和L2頻段上新增了針對軍用用戶的L1M和L2M信號，它們均采用BOC（Binary Offset Code）方法進行調制和解調，可顯著增強軍用信號的抗干擾能力。 IIF衛星能在L5上發射民用GPS信號，這類信號主要為航空安全服務，它具有更高的功率，更大的帶寬和更穩定的服務。詳情見參考資料[13]。 在L1頻段，III型衛星將支持一種名叫L1C的新GPS信號。L1C信號可增強GPS系統和其他GNSS系統（如中國的北斗導航系統也將廣播L1C信號）之間的交互性（interoperability）。 圖9-15總結了各類型GPS衛星所支持的通信頻段信息。 :-:  圖9-15　GPS各類型衛星所支持的通信頻段[14] 了解了GPS衛星通信頻段的知識后，下面讓我們把注意力放到GPS衛星通過這些頻段所傳輸的數據上來，即和GPS信號相關的知識點。 **3、GPS信號[11]** GPS信號將借助上一節所述的GPS衛星通信頻段進行無線電傳輸，它由三部分組成，如圖9-16所示。 :-:  圖9-16　GPS信號的組成 由圖9-16可知，GPS信號包含主要三個組成部分。 **1）載波**：分別是L1和L2（注意，本書不討論L5的情況，感興趣的讀者可閱讀參考資料[14]），其中心頻率分別是1575.42MHz和1227.60MHz。 **2）測距碼（Ranging Code）**：用來測量衛星和接收器之間距離的一種信號。測距碼其實是一種經過精心設計的偽隨機噪聲③（Pseudo-Random Noise，PRN）。 GPS有C/A碼和P碼兩種測距碼。 * C/A碼（粗捕獲碼），頻率為1.023MHz，周期為1ms，碼長為1023，碼元的寬度為293.05m，測距精度為2m到3m。 * P碼（精捕獲碼），頻率為10.23MHz，是和粗捕獲碼對應的測距碼，其周期為7天，碼長為6.1871*1012，碼元周期0.097752微秒，相應碼元寬度為29.3m，測距精度為0.3m。P碼供軍事應用，故可以對它進行密。加密后的P碼稱為“Y碼”。 **3）導航電文（Navigation Data，也叫D碼）**：在定位計算時，除了測距碼外還需要衛星的一些信息，例如星歷、時間等。這些數據封裝在GPS導航電文中，其傳輸頻率為50比特每秒（即50Hz）。導航電文的詳情見下節。 C/A碼僅在L1頻段上發送，而P碼同時在L1和L2頻段發送，根據前面介紹的雙頻知識，接收器可通過接收L1和L2頻段的P碼以消除大氣電離層造成的延時影響從而進一步提高定位精度。 >[info] 注意　在數字通信中，一個數字脈沖稱為一個碼元。一個周期中碼元的個數稱為碼字的長度，簡稱為碼長，常用n表示。 C/A碼的碼元寬度為293.05m，這是通過以下公式得來。 :-:  其測距精度是如何計算出來的呢？接收器在工作時會生成一個C/A碼，這個C/A碼將和某 個衛星發送的C/A碼進行匹配。匹配時涉及碼相位數字信號處理方面的工作，理想情況下其最 高精度能達到碼元寬度的1%，所以C/A碼的測距精度為293.05*1%（約3m）。 關于GPS信號方面的進一步知識，請讀者閱讀參考資料[15]。下面來看看GPS導航電文的內容。 **4、GPS導航電文** **①、數據格式及內容** GPS導航電文（Navigation Message）有其特定的格式，如圖9-17[11]所示。 :-:  圖9-17　GPS導航電文格式 如圖9-17所示，GPS導航電文的基本單位是幀（Frame，也叫Page）。一幀包含1500比特。導航電文的傳輸速率是每秒50比特，故傳輸完整的一幀數據需30s。 每一幀中的1500比特又被平均分配，每300比特組成一個子幀（Sub-Frame），所以一幀包含5個子幀。每一個子幀又由10個字碼（word）組成，每一個字碼包含30位數據。子幀的第一個字碼叫TLM（Telemetry Word，遙測碼），第二個字碼叫HOW（Handover Word，轉換字）。下文將詳細介紹TLM和HOW的組成。 一個完整的GPS導航電文由25幀組成，共37500比特，故全部傳輸完它們共需12.5分鐘。 表9-2為讀者總結了GPS導航電文25幀所包含的數據。 :-:  由表9-2可知，所有的25幀數據中，其子幀1到子幀3的內容相同。它們都用來描述信號發射衛星的一些信息。此處特別提醒讀者，子幀1～3包含的是某顆衛星自己的GPS時間和星歷數據。所以，對地面接收器來說，某顆衛星的數據每隔30s（每一幀傳輸的時間為30s，而每一幀的前三個子幀都包含了該衛星最新的信息）就可以得到更新。 >[info] 特別注意　一個GPS衛星所發送的導航電位包括自己的星歷數據以及其他衛星的歷書數據。 現在來看TLM和HOW的內容，如圖9-18[16]所示。 :-:  圖9-18　TLM和HOW的構成 圖9-18中，TLM前8位（Preamble，也叫前導碼）由用于同步的二進制數10001011開始。其第9～22位為TLM消息，供PSS用戶及控制段和空間段使用。第23位為完整性狀態標志（Integrity Status Flag，ISF），第24位保留，最后六位是奇偶校驗碼。 HOW前17位用于傳輸星期時間（Time of the Week，TOW），第18位為警告（Alert）標志，該值為1時將提醒SPS用戶測量精度較差。第19位為反欺騙（Anti-Spoof，A-S）標志，該值為1表示A-S功能開啟。20到22位為子幀的ID（一個幀中包含五個子幀，子幀的ID從1開始編號）。最后幾位用于奇偶校驗。 **②、星歷和歷書** 星歷和歷書的內容如表9-3所示。 表9-3星歷和歷書所包含的參數[^4] :-:  :-:  注意，表9-3中僅包含了星歷和歷書全部參數項的一部分。完整的星歷和歷書參數定義見參考資料[16]的Table 20-III和Table20-VI。另外，從上表中讀者也會發現，對于同樣的參數而言，其在歷書數據中的精度要比它在星歷數據中的精度低（即參數的位長較短）。 >[info] 提示　為了避免翻譯不準帶來的誤解，表9-3中的參數含義說明直接使用了其在官方文檔中的英文說明。參考資料[16]也有數學公式描述這些參數的作用。 **5、定位計算相關知識** **①、定位計算原理[17]** 本節將介紹GPS定位計算相關的知識。在“測距原理介紹”一節中我們曾提到說要計算三維坐標系中接收器的位置需要三顆GPS衛星，而為了解決接收器和GPS衛星時鐘的不同步問題，則需要第四顆GPS衛星參與計算。圖9-19展示了定位計算的原理圖。 :-:  圖9-19　GPS定位計算原理 圖9-19中，接收器的位置由（Xuser，Yuser，Zuser）表示。 GPS衛星的位置由（XSat_i，YSat_i，ZSat_i）唯一確定（注意，接收器可根據衛星的星歷等參數信息將衛星在ECI坐標系的值轉換成ECEF坐標系的值）。GPS衛星發送的GPS信號到達接收者所用的傳輸時間由Δti表示。這樣，每個GPS衛星到接收器的距離就可以計算出來。圖9-19中，該距離由Ri表示。 現在來考慮GPS衛星與接收器的時間誤差問題。借助高精度的原子時鐘以及地面控制站的監控與修正，可以認為GPS衛星之間的時鐘是同步。這樣，GPS衛星和地面接收器的時間誤差就可以用一個參數來表示了。 基于上述內容，得到公式三。 [公式三] :-:  Δt0為接收器的時間誤差，Δt為真實的信號傳輸時間，Δtmeasured為接收器的GPS信號傳輸時間。PSR為偽距（pseudorange）。R為GPS衛星到接收器的距離。 顯然，在三維笛卡爾坐標系中，R的值可由下面的公式計算得到。 :-:  最終，我們可得到一組方程式，見公式四。 [公式四] :-:  以圖9-19為例，上述公式的i從1～4。 如何計算上述方程組呢？一種常用的方法是通過泰勒級數將其線性化，然后再借助偏微分方程求解。圖9-20展示了該方法的原理。 :-:  圖9-20　公式四求解原理 如圖9-20所示，一個新的位置點被引入，該位置點叫估算位置點（Estimated Position）。GPS衛星離該位置點的距離由RTotal_i表示。 估算位置點離接收器真實的位置之間有一段距離，二者坐標的差別由公式五表達。 [公式五] :-:  Xuser為接收器的X坐標，XTotal為估算點的X坐標，二者的差值為Δx。 經過一系列的公式替換和變量求偏導，可得到圖9-21所示的矩陣。 :-:  圖9-21　GPS定位矩陣計算公式 接收器將利用圖9-21所示的公式進行迭代計算，直到圖左邊的Δx等參數值小于期望誤差 （如0.1m）為止。然后，接收器的位置可通過公式五和根據圖9-21中得到的Δx等值計算出來。 >[info] 注意　除了計算接收器的坐標位置外，GPS還能計算出接收器的移動速度，這是基于多普勒效應來實現的。以GPS為例，多普勒效應就是當GPS衛星與接收器之間存在相對運動時，接收器一端收到的GPS信號的頻率和GPS衛星實際發送的信號的頻率并不相同，二者之差稱為多普勒頻移。由于GPS衛星的速度可根據其導航電文中的信息推算出來，故接收器根據多普勒頻移的相關公式就很容易計算出自己的移動速度了。關于GPS測速方面的知識，可閱讀參考資料[18]。 **②、DOP介紹[17]** 上一節介紹了GPS定位計算的原理。在真實環境中，GPS定位計算中還存在某些誤差，這些誤差的原因大體由如下幾個部分組成。 * 衛星時鐘：雖然衛星時鐘的精度已經很高了，但由于光速的值很大，這就造成時間上10ns的偏差都會造成距離上3m的誤差。 * 衛星本身的軌道位置：衛星在軌道上的位置精度在5m左右。 * 光速：GPS信號從太空中的衛星到地面接收器傳輸時其速度不是固定值，而是會受到電離層和對流層的影響。 * 接收器的時鐘：接收器的時鐘和衛星時鐘不同步，這也會造成相應的誤差。 * GPS信號的多路徑效應：GPS信號傳輸過程中常會因為建筑物或其他反射物發生反射。顯然，這些反射信號的傳輸時間比沒有反射的信號的傳輸時間要長，這就給接收器測距時造成一定的誤差。 參與定位計算的GPS衛星的空間分布也會對最終計算結果有較大影響。本節重點介紹它。 如上，本節重點關注GPS衛星空間分布情況對定位計算的影響。在GPS系統中，因衛星的空間分布造成的測距誤差可用DOP（Dilution Of Precision，精度衰減因子）等一組值來描述，這一組值如下。 * GDOP（Geometric-DOP，幾何精度衰減因子）：描述衛星空間分布情況對位置計算和時間測量的影響。 * PDOP（Positional-DOP，位置精度衰減因子）：描述衛星空間分布情況對位置計算的影響。 * HDOP（Horizontal-DOP，水平精度衰減因子）：描述衛星空間分布情況對水平位置（二維空間）位置計算的影響。 * VDOP（Vertical-DOP，垂直精度衰減因子）：描述衛星空間分布情況對高度計算的影響。 * TDOP（Time-DOP，時間精度衰減因子）：描述衛星空間分布情況對時間測量的影響。 從上述各項DOP的描述可知，衛星空間分布的情況將影響定位計算的精度，這是為什么呢？來看圖9-22的DOP原理。 :-:  圖9-22　DOP原理 左圖中，Sat 1和Sat 2這兩顆衛星相距較遠，而右圖中Sat 1和Sat 2兩顆衛星相距較近。 計算接收器Pos的位置時，Sat 1和Sat 2的測距都會存在一定的測距誤差。每個衛星測距所造成的誤差由圖中的圓環表示。根據9.2.1節對測距原理的介紹，Pos的位置位于兩個圓環的重合區域之中。 很明顯，左圖中Pos所在的重合區域面積較小，而右圖中Pos所在的重合區域面積較大。這說明左圖的測距誤差比右圖的測距誤差小。所以，左圖衛星分布區域情況對應的DOP值較小，而右圖的DOP較大。 >[info] 提示　根據DOP的取值情況，定位測量的質量可劃分為4個級別[15]。質量非常高：DOP值為1～3。質量高：DOP值為4～5。質量一般：DOP值為6時。質量差：DOP值大于6時。 關于DOP更詳細的信息，可進一步閱讀參考資料[17]。 **③、首次定位時間** 首次定位時間（Time To First Fix，TTFF）是衡量GPS接收設備性能的一個重要指標，它描述的是GPS接收器需要花費多長時間來捕獲GPS衛星信號直到計算出自己的位置。目前，TTFF因啟動模式[19]不同而有所區別，這些啟動模式分別如下。 * 冷啟動模式（也叫出廠模式）：在這種模式下，GPS接收器沒有保存有效星歷、時間及位置等信息，所以它需要從周圍可搜索到的GPS衛星那接收信號并獲取用于定位的數據（星歷、歷書、時間等信息）。前面曾介紹，傳輸一個完整的GPS導航電文需要12.5分鐘。在這種模式下，TTFF至少為12.5分鐘。 * 暖啟動模式：在這種模式下，GPS接收器保存有歷書數據（不超過180天）、舊時間信息（不超過20秒）及舊位置信息（不超過100千米范圍），但星歷數據失效（超過4小時）。如此，在計算位置時，GPS接收機需要從GPS衛星那接收星歷數據（讀者還記得嗎，導航電文的25個幀中第2、3子幀包含發送衛星的星歷數據，由于每一幀發送時間為30秒，所以星歷數據每隔30秒就會更新一次）。所以，在這種模式下，TTFF至少為30秒。 * 熱啟動模式：在這種模式下，GPS接收機具有有效星歷數據、時間及位置等信息，這樣，GPS接收器就無須解碼GPS導航電文中的星歷數據，它只要利用GPS信號進行測距計算就可以了。熱啟動模式下，TTFF速度很快，能做到10秒以內。 顯然，減少TTFF對提升用戶的使用體驗有極大的幫助。根據上述內容可知，TTFF的瓶頸主要在星歷、歷書數據等信息的獲取上。為了解決此問題，人們設計了Assisted GPS（輔助GPS）方法。AGPS使得GPS接收機能通過移動通信網絡（如2G/3G等，傳輸速度遠超GPS衛星信號的傳輸速度）下載星歷數據等信息，從而加快首次定位時間。關于AGPS的內容，請讀者閱讀9.2.2節。 >[info] 提示　如果確實需要接收和解析GPS衛星信號，多通道接收方法可用來同時接收多個衛星的信號從而提升TTFF。關于這一點見參考資料[20]。 **6、NMEA-0183和GPX** 本節將介紹和GPS相關的兩種數據文件格式，先來看NMEA-0183。 **①、NMEA-0183[21]** NMEA-0183是美國國家海洋電子協會（National Marine Electronics Association，NMEA）為海用電子設備制定的標準格式。GPS接收機可按照該標準定義的格式輸出諸如定位時間、緯度、經度、高度、定位所用衛星數、DOP值等很多信息。 >[info] 提示　NMEA-0183的輸出內容由ASCII字符組成。簡單點說，可以用文本軟件來查看和修改NMEA數據。 NEMA文件的內容由一條一條的語句組成，每一條語句都有對應的類型，表9-4列舉了其中一些常用語句的類型以及它們所包含的數據信息。 :-:  下面我們來看一個NMEA語句示例。 **NMEA語句示例** ~~~ $GPGGA，161229.487，3723.2475，N，12158.3416，W，1，07，1.0，9.0，M，18.0，M，50，0000*18<CR><LF> ~~~ 上面這條NMEA語句中各項信息的含義如表9-5所示。 :-:  NMEA的介紹就到此為止。更詳細的信息請閱讀參考資料[21]。 **②、GPX[22]** 和NMEA不同，GPX（GPS eXchange Format）將GPS數據封裝在XML文件中，所以它遵循XML相關的語法。GPX比較簡單，通過一個例子來介紹。 **GPX示例** ~~~ <?xml version="1.0" ?> <!-- GPX文件中，gpx標簽是根節點-- > <gpx version="1.0" creator="ExpertGPS 1.1 - http://www.topografix.com" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xmlns="http://www.topografix.com/GPX/1/0" xsi:schemaLocation="http://www.topografix.com/GPX/1/0 http://www.topografix.com/GPX/1/0/gpx.xsd"> <!-- time標簽代表該文件的創建時間--> <time>2002-02-27T17:18:33Z</time> <!-- bounds標簽用來描述該文件中所有經度和緯度的最大及最小值 --> <bounds minlat="42.401051" minlon="-71.126602" maxlat="42.468655" maxlon="-71.102973" /> <!-- wpt為waypoint的簡稱，代表某個位置點--> <wpt lat="42.438878" lon="-71.119277"> <!-- ele描述該點的海拔，單位為米 --> <ele>44.586548</ele> <!-- wpt下的time標簽表示創建或修改整個wpt標簽的時間，為UTC時間 --> <time>2001-11-28T21:05:28Z</time> <name>5066</name><!--name表示該wpt的GPS名（GPS name of this wpt） --> <sym>Crossing</sym><!--sym表示該wpt的GPS符號名（Symbol name）> </wpt> <!-- 其他的wpt元素 --> <!-- rte代表一條路徑，它按順序記錄了這條路徑中的關鍵位置點--> <rte> <name>BELLEVUE</name> <!-- rte的name標簽表示路徑名--> <number>1</number> <!-- number表示路徑編號--> <!-- rtept：其實就是wpt，只不過在rte標簽中叫rtept--> <rtept lat="42.430950" lon="-71.107628"> <ele>23.469600</ele> <time>2001-06-02T00:18:15Z</time> <name>BELLEVUE</name> <cmt>BELLEVUE</cmt> <!-- cmt是comment的縮寫，其作用類似于備注說明--> <sym>Parking Area</sym> </rtept> <!-- 其他的rtept元素 --> </rte> </gpx> ~~~ 上述例子展示了GPX文件格式中的一些主要構成部分。GPX中有三個比較重要的概念。 * Waypoint：路點，由<wpt>標簽標示，代表一個感興趣的點或者地圖上的某個點。wpt英文解釋為"wpt represents awaypoint，point of interest，or named feature on amap"。 * Route：路徑，由<rte>標簽標示。路徑由一組有序的路點構成。rte的英文解釋為"rterepresents route-an ordered list of waypoints representing aseries of turn points leading toadestination"。注意，在Route中，wpt是轉向點（turn points）。 * Track：軌跡，由<trk>標簽標示。用于記錄某人從源地址到目標地址所走過的那些路點。Track的英文解釋為"represents atrack-an ordered list of points describing apath"。 Track和Route的區別很微妙，二者關系如圖9-23所示。標有WP字樣的點為Waypoint。源地址的路點為WP0297，目標地址的路點為WP0307。 :-:  圖9-23　Track和Route 圖中的實線表示路徑，而由路點組成的那條曲線就是軌跡。軌跡記錄了某人在某個時間段從源到目標所經過的那些WP。所以在GPX文件的軌跡標簽內所列出的WP同時還會記錄此人經過該點時的時間信息。 和軌跡略微不同，路徑表示從源點達到目標點之間的一些關鍵點。 >[info] 提示　參考資料[23]描述的Track和Route的區別似乎和GPX官網所給示例（本節所分析的GPX實例就來自于GPX官網）不同。其中，路徑點和是否有人在某時刻途經過它沒有關系，路徑點天然就存在，所以不含時間戳信息（時間信息描述的就是人們在什么時刻達到過此處）。但是本節的GPX實例中路徑點卻包含了時間戳信息，并且官方對路徑中路點的描述是"turn point"，其英文解釋是"a point at which there is achange in direction or motion"。 除了GPX外，還有一種名為KML的文件格式被谷歌地球和谷歌手機地圖等軟件使用。KML（Keyhole Markup Language）最初由Keyhole公司開發，是一種基于XML標準的格式。KML可描述點、線、圖像等多種地理信息。Android的DDMS也支持KML。 >[info] 注意　請讀者自行研究KML的知識，相關資料見參考資料[24]。 **7、GPS增強系統** 為了提升GPS定位的精確度和易用性，人們還設計了一些GPS增強系統，這些增強系統大 體可分為如下幾種。 * DGPS（Differential Global Positioning System，差分GPS），用于提高GPS的定位精度。 * SBAS（Satellite-Based Augmentation System，星基增強系統），用于提高GPS定位精度以及可靠性。 * AGPS（Assisted GPS，輔助GPS），通過從移動網絡下載星歷等數據以提升GPS定位速度。 * HSGPS（High Sensitivity GPS，高精度GPS），用于提升GPS接收器的靈敏度。 下面介紹DGPS、SBAS以及AGPS的內容。 >[info] 注意　關于HSGPS見參考資料[25]。 **①、DGPS和SBAS[25]** 在介紹DOP時曾提到過GPS定位計算時的一些誤差，而DGPS以及SBAS的目標就是減少這些誤差所帶來的影響。SBAS和DGPS有一定關聯，所以我們先來看DGPS，其工作原理如下。 * 為了減少（或者修正）定位計算的誤差，人們事先把GPS接收機放在位置已精確測定的點上，這些點叫基站。基站的接收機通過接收GPS衛星信號，測得并計算出它們到衛星的偽距，將偽距和已知的精確距離相比較，求得該點在GPS系統中的偽距測量誤差。 * 然后這些基站再將這些誤差作為修正值以標準數據格式通過播發臺向周圍空間播發。 * 在基站附近的DGPS用戶一方面接收GPS衛星信號進行測距，同時它接收來自基站的誤差修正信息，并以此來修正定位結果，從而提高定位精度。 DGPS用戶離基站多遠才算附近呢？下面有兩個參考距離[15]。 * 如果使用偽距差分定位（Code Differential Positioning）技術，則DGPS和基站的距離最好在200千米以內。 * 如果使用載波相位差分定位（Carrier-Phase Differential Positioning）技術，則DGPS和基站的距離最好在20千米內。 如上所述，基站負責將修正數據以標準格式向周圍空間播發。為此，人們也制訂了一些協 議來規范化這一工作。這些規范以及它們的優缺點如表9-6所示。 :-:  :-:  * RTCM（Radio Technical Commission for Maritime，國際海運事業無線電技術委員會）。SC 104（Special Committee 104）定義了DGPS修正數據的格式。 * RTCA（Radio Technical Commission for Aeronautics，航空無線電技術委員會），DO-229C是為它指定的一個標準。 由上表可知，修正數據的格式主要分為RTCM SC104和RTCA DO-229C兩種。當修正數據用衛星發送時，這種系統就叫SBAS。SBAS使用的協議格式為RTCA DO-229C。 當然，SBAS的功能遠不止簡單地播發修正數據，它還能監測GPS或其他GNSS衛星的情況以加強信號的可靠性和安全性。圖9-24展示了目前幾個已投入使用或在建的SBAS系統以及它們的覆蓋范圍。 :-:  圖9-24　SBAS系統 圖9-24中幾個主要的SBAS從左至右分別如下。 * WAAS：美國建造的廣域增強系統（Wide Area Augmentation System）。 * EGNOS：歐盟建造的歐洲靜地導航覆蓋服務（European Geostationary Navigation OverlayService）。 * GAGAN：印度建造的地球同步軌道增強導航系統（GPS And GEO AugmentedNavigation）。 * Beidou：中國建造的北斗導航系統。 * MSAS：日本建造的多功能衛星增強系統（Multifunctional Satellite Augmentation System）。 雖然每個單獨的SBAS只能覆蓋一定的范圍，但通過RTCA DO-229C協議，SBAS之間的數據能夠保證兼容性。 **②、AGPS** AGPS的作用很簡單，就是在沒有有效星歷數據等定位計算所需信息的情況下（或者在GPS信號不好甚至沒有GPS信號的環境中），使得GPS接收器能通過別的方式獲取所需信息以 加快定位速度。AGPS的原理如圖9-25所示。 :-:  圖9-25　AGPS原理 如圖9-25所示，AGPS是一個比較復雜的系統，它首先需要在全球建造一個用于收集GPS衛星數據的參考網絡（Global Reference Network）。目前比較知名的參考網絡由IGS（International GNSS Service）組織建造，它在全球80多個國家設有300多個GPS衛星跟蹤站。IGS的官方網站（http://igscb.jpl.nasa.gov/ ）提供GLONASS和GPS的衛星數據下載服務。 AGPS將收集到的這些數據（一般稱為輔助數據，Aiding Data）保存在服務器上并對外界提供下載。例如圖9-25中，支持AGPS的手機就可以通過移動通信網絡發起相關請求以獲得這些輔助數據從而加快自己的定位速度。 以上是對AGPS原理非常簡略的介紹。在AGPS的實現細節中，還有如下幾個比較重要的知識點。首先是User Plane和Control Plane的概念，這兩個詞源自移動通信領域。 * Control Plane用于在手機和基站間傳輸控制信息，例如手機收到一個來電信號就是通過Control Plane傳輸的。 * User Plane主要用來傳送數據包（例如TCP/IP、HTTP等）。我們用的3G或GPRS上網就是User Plane。顯然，手機通過User Plane來獲取Aiding Data這種方式更具通用性和擴展性，例如它能通過TCP或UDP等協議來傳輸數據。關于CP和UP的區別，見參考資料[26]。 手機如何利用AGPS來進行定位呢？AGPS可分為MSB（Mobile Station Based）和MSA（Mobile Station Assisted）兩種運行模式。 * MSB模式下，手機從AGPS位置服務器上下載輔助數據，然后手機再結合GPS衛星信號進行定位計算。這種方式需要手機下載輔助數據，同時它還需要利用其自身的CPU、內存等資源進行最終的定位計算。MSB模式的優點是網絡負擔小且定位延時小，適合短時間內的連續定位。 * MSA模式下，手機接收并解調GPS衛星信號，然后將這些偽距信息傳給AGPS位置服務器。AGPS位置服務器根據手機所發送的數據、自己所保存的衛星數據以及其他一些信息（例如手機當時通信的基站位置）計算出手機所在位置，然后將該信息返回給手機。MSA模式下，手機無須使用自己的CPU等資源來進行定位計算。MSA的優點是對終端的性能要求低，但其定位的延時大，不適合高速行駛情況下的定位。 >[info] 提示　如果接收器只使用GPS衛星信號進行定位，這種工作模式稱為Standalone（也叫Autonomous）模式。MSA或MSB都需要手機接收GPS衛星信號。對于無法接收GPS衛星信號的地區（如辦公室等）該怎么辦呢？這就需要借助其他方法了，例如Cell-ID定位方法，其原理很簡單，就是通過獲取目標手機所在的蜂窩小區ID來確定其所在的位置。 AGPS涉及的內容非常多，為了更規范地為用戶提供AGPS服務，OMA（Open Mobile Alliance，開放移動聯盟）制定了一整套服務和標準，這套服務和標準統稱為OMASUPL（ Secure User Plane Location）。了解OMA-SUPL的工作流程非常有助于理解本章下文對 Android平臺中AGPS相關的代碼分析。 [^①]:根據參考資料[10]，這32顆衛星中的31顆處于運行狀態，另外一顆不可用。美國一共發射了64顆衛星，未來還有衛星更新計劃。美國GPS官方對衛星的說明見參考資料[9]。 [^②]:GPS雙頻接收機可以同時接收兩個不同頻率的載波信號。它將利用不同頻率的電磁波在大氣電離層傳輸時所造成的延遲時間不一致的原理來減少電離層帶來的定位誤差。 [^③]:PRN的特點是看起來像隨機的噪聲，但又不是真正的噪聲，它是一種比較復雜的數字編碼。 [^4]:注意，表9-2中并未列出全部的星歷和歷書數據項，感興趣的讀者請參考[16]。