专业性
责任心
高效率
科学性
全面性
第一节 卫星导航的定义和系统介绍
一、卫星导航定义
卫星导航是采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位的技术。利用太阳、月球和其他自然天体导航已有数千年历史，由人造天体导航的设想虽然早在19世纪后半期就有人提出，但直到20世纪60年代才开始实现。1964年美国建成“子午仪”卫星导航系统，并交付海军使用，1967年开始民用。1973年又开始研制“导航星”全球定位系统。苏联也建立了类似的卫星导航系统。法国、日本、中国也开展了卫星导航的研究和试验工作。卫星导航综合了传统导航系统的优点，真正实现了各种天气条件下全球高精度被动式导航定位。特别是时间测距卫星导航系统，不但能提供全球和近地空间连续立体覆盖、高精度三维定位和测速，而且抗干扰能力强。
二、卫星导航系统
卫星导航系统，顾名思义，就是“全球卫星导航系统”。主要采用最新GPS技术在导航通讯领域的最新应用系统。卫星导航全球性大众化民用,刚刚开始，有百种应用类型。卫星导航的生命期至少还有50年，GPS概念的提出已有三十年，真正应用只有十来年，现在GPS现代化，GPS III新阶段，延续到2020年。GPS国际协会已统计出GPS的117种不同类型的应用。蜂窝通信的集成和汽车应用还是当前最大的两个市场。 卫星导航系统已经在大量应用中广泛使用，而且总的发展趋势是为实时应用提供高精度服务。
第二节 卫星导航的分类与功能
一、导航产品的分类
中国GPS产品细分市场
二、卫星导航终端的主要功能
GPS卫星接收机的种类：
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。
经过20余年的实践证明，GPS系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。
三、卫星导航系统技术的应用及其拓展
卫星导航的应用是建立导航卫星系统的根本出发点，也是其最终的归宿。通常卫星导航的应用市场能够分为三大方面，他们是专业市场、批量市场和安防市场。专业市场主要是指精密测量、油气和地质勘探、土木工程、民用建筑、精细农业、物流管理、授时、气象、地震，连同各种各样的科学研究。批量市场主要是指车辆导航、船只导航、飞机导航、个人导航，移动目标监控等。安全市场主要是指货运、客运、紧急救援、抢险救灾、安全防范、防盗报警、应急联动等。
从应用的角度可分成以下10类加以简述，这就是：航空、航海、通信、人员跟踪、消费娱乐、测绘、授时、车辆监控管理，和汽车导航和信息服务，连同其他类。
1、航空
国际民航组织(ICAO)历来提倡用卫星导航作为全球单一的导航手段来实现飞机任何的飞行阶段的导航，这是个很困难的任务，也是个很漫长的实施过程。单一的星座不足以担此重任，必须建立增强系统，连同构作新的星座，并列出了GNSS计划，还划分为两个阶段GNSS1和GNSS2，希望完成增强和新建两项任务。增强能够从两方面实现，一是利用星基设备的广域增强系统(如美国的WAAS，欧洲的EGNOS，日本的MSAS，中国的CWAAS)，二是利用地基的局域增强系统(LAAS)。
欧洲的Galileo便是新建的全球导航星座，他和GPS配合起来，能够大大提高导航卫星的可用性，使单一的GPS市区可用性从55%提高到GPS/Galileo共用时的95%。
GPS技术建立广域增强系统(WAAS)逐步代替原先的微波着陆/仪表着陆系统，美国的WAAS系统计划在2003年下半年运营，地面改正数据能够通过静地卫星转发给飞机。WAAS一开始就能使GPS三维定位精度提高到7m左右，经进一步改进后甚至能达到1m精度，可满足I类精密进近的需要。除了提高精度外，WAAS也能提高可用性和完善性监测，因为静地卫星提供了又一个额外的导航空间信号和整个星座的完善性信息。
局域增强系统(LAAS)和WAAS不相同，他是在机场附近半径为五十公里的范围内广播DGPS改正和相关信息。I类着陆需要有两个GPS参考接收机，II类和III类着陆则分别需要有三个和四个接收机。此时的DGPS系统运用的是载波平滑码技术。LAAS好处甚多，他可通过增加精密进近能力改进安全性，增加机场运作容量，改进调度的灵活性，单系统复盖多跑道，支持机场地面运作，帮助飞行员自动工作。还能够实现精密的跑道监测，并促进航空电子的完善和进步。
2、航海
卫星导航接收机广泛地用于海上行驶的各类船只，DGPS则广泛地用于沿岸和进港，连同内河行驶的船只，精度可达到2-3m。在卫星导航接收机和无线通信手段集成后，该系统便成为一个位置报告系统和紧急救援系统。许多渔船将GPS和雷达和鱼探器结合在一起，产生明显的经济效益。海上勘探和测绘、航道疏浚和维护，连同船舶引水导航及停泊靠岸，都能借助于GPS，提高效率，加强安全，并减轻工作强度，获得良好的效益。
3、通信和导航的融合
卫星导航接收机和无线电通信机的结合是自然发生的，这种融合产生的意义是很深远的。实际上，这是移动电脑(PDA)、蜂窝电话和GPS接收机的系统集成和完美整合。美国的E911和欧洲的E112明确提出了需要，凡无线报警者，必须同时带有所在位置信息。而且还颁布了相关规定和标准。这无疑大大促进了卫星导航和蜂窝通信的融合。
由于GPS接收机越做越小和功耗越做越低，为两者融合奠定了技术和物质基础。网络协助的AGPS技术和产品又完美地综合了双方的优势，高通公司(Qualcomm)的SnapTrack技术运用在CDMA网络上形成了gpsOne这样的一体化产品，仅在不到一年半的时间内，在日、韩、美市场便销售了1000多万台，据权威机构预测，2003和2004年AGPS手机销售量将分别占全年手机销售总量的5.1%和9.8%。
4、人员跟踪
个人跟踪的应用需求和E911这类导航手机或称定位手机思路相似，但其产品类型和主要功能定位则和他们大相径庭。首先需要其体积和功耗要小，便于隐藏或佩带，如手表之类。其应用功能能够由中央加以激活或启动，以利于获取佩带者所在位置。也有个应用数码公司扬言已研发出植入皮下的跟踪设备。较为现实的是手表型个人跟踪器，人称“数字天使”，他还能监测人的体温和脉搏，并将数据发回监控中央或指定的亲友和监护者。
可能的应用包括老人和小孩的位置和病人的医疗监测，跟踪农牧的牲口，寻找迷路和丢失的人和宠物。还能够跟踪战士、旅行者，连同痴呆病患者等。
5、消费娱乐
徒步旅行者、猎人、越野滑雪者，野外工作人员和户外活动者现在常应用袋式GPS定位器，配上电子地图，能够在草原、大漠、乡间、山野或无人区内找到自己的目的地。驾舟者和潜水人购置手持导航仪以增加安全导航和探索未知水域的高技术含量。
GPS甚至还用于高尔夫球场，并将球场地图集成到GPS手持机中，还备有确定距离的软件，从而大大增加了玩球者的兴趣。有人称，由于GPS接收机的不断降价，从长远而言，总有一天最终还会集成到玩具市场中去。
6、测绘
测绘用的是载波相位差分技术，这种双重的高精度测量技术确保基线瞬时测量精度能达到20厘米左右，时段数据精化和回归使精度能得到一个多数量级的提高。GPS测绘还可用于绘图、地藉测量、地球板块测量、火山活动监测、GIS领域、大桥监测、水坝监测、滑坡监测、大型建筑物监测等。这种测量技术的实时动态化(RTK)能够用于海洋河道公路测量，连同矿山、大型工程建设工地等作为自动化管理和机械控制。
7、授时
GPS设备还用于作为时间同步装置，特别是作为交易处理定时(如在ATM机中)和通信网络中应用。尤其是像CDMA这种码分多址的无线电通信网络中，时间是网络同步的关键部分，所以GPS定时天线已成为网络同步最具应用前景的嵌入单元。GPS时间产品还用于供电部门，作为电力网电能相位同步基准和判别故障的一种测试手段。此外，蜂窝网络定位中，也要用到高精度时间，GPS设备装在手机中或蜂窝基站上，确保三角定位计算法的实现。
8、车辆监控管理
9、汽车导航和信息服务
10、其他
GPS应用还包括精细农业、科学研究(野外生物学、气象学、地球科学)、环境监测、突发事件和灾害评估、安全保障、天体和建筑工程和自然资源分析的定位。至今，GPS国际协会已统计出GPS的117种不同类型的应用。当然，和蜂窝通信的集成和汽车应用还是当前最大的两个市场。
四、卫星定位与导航技术
定位与导航技术是涉及自动控制、计算机、微电子学、光学、力学以及数学等多学科的高技术，是实现飞行器特别是航天器飞行任务的关键技术，也是武器精确制导的核心技术，这对于提高航空器、航天器以及武器装备的机动性、反应速度和远程精确打击能力具有重要意义，在海、陆、空、天等现代高技术武器及武器平台中得到广泛的应用。
按照定位导航的方式可分成：卫星定位导航、自主式导航、组合导航以及无源导航。
1、卫星导航系统
世界上现有卫星导航系统有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS以及欧洲GALILEO卫星系统（将要建立）。这样，俄罗斯的GLONASS的建立以及将要建立的GALILEO打破了美国对卫星导航的独家经营的局面，降低了美国政府利用GPS施以主权威慑给用户带来的后顾之忧。
1）全球定位系统（GPS）
GPS是美国国防部为军事目的建立的，旨在彻底解决海上、空中和陆地运载工具的导航和定位问题，全部24颗导航卫星（21颗工作卫星和3颗备用卫星）系统已经建成。GPS采用码分多址（CDMA），定位精度通常15m左右，主要应用于单点导航定位与相对测地定位，具有全天候、定位迅速、精度高、可连续提供三维位置(纬度、经度和高度)、三维速度和时间信息等一系列优点，是实现全球导航定位的高新技术。通常GPS接收机接收到四颗卫星的信号就能够确定移动载体的方位，是当前移动目标导航定位的主流。1992年GPS正式向全世界开放，1994年在中国市场开始得到应用。GPS以精确位置与定时信息，已成为支持世界范围各种民用、科研和商业活动的一种资源。
2）全球卫星导航系统（GLONASS）
GLONASS是前苏联研制并为俄罗斯继续发展的全球卫星导航系统，其组成和功能与美国的GPS相类似，可用于陆、海、空等各类用户的定位、测速及精密定时等。目前已完成了24颗工作卫星加一颗备用卫星空间星座布局，每天24小时每时刻各地的用户可见5～8颗卫星。卫星识别采用频分多址（FDMA），24颗卫星各占一个频率，现已向全世界开放。
3）卫星导航系统（GNSS）
GNSS是由GPS/GLONASS/INTMARSAT组合而成的，目前正在发展的导航系统，其中INTMARSAT是国际海事卫星组织的简称。该组织计划通过所属的通信卫星转发GPS/GLONASS导航信息，为全球用户提供服务。由于GNSS综合了GPS和GLONASS的卫星信号，增加了整个系统可视卫星的数目，改善了卫星几何位置配置，可在任何地方有较大高度角的卫星提供选择，这样GNSS比GPS（或GLONASS）有更高的定位精度和更好的完整性状态。因此，GNSS具有很强的互补作用，在同等组合方式下，运用先进的组合导航技术，以GNSS与其它导航技术的组合导航将比GPS（或GLONASS）与其它导航技术组合有更高的精度和可靠性。
4）欧洲GALILEO卫星
欧洲为了满足本地区导航定位的需求，计划开发针对GPS和GLONASS的广域星基增强系统（EGNOS），包括地面设施和空间卫星，以提高GPS和GLONASS系统的精度、完备性和可用性。同时，为了打破目前世界美、俄全球定位系统在这一领域的垄断，欧洲决定启伽利略计划，建立自主的民用全球卫星定位系统（GALILEO）。EGNOS将是欧洲GALILEO计划的第一阶段，也是GALILEO计划的基础，并将在2002年达到初始运行能力，2007年以前到全球运行能力。GALILEO系统将建成全球性的定位和导航系统，它由星座部分、有效载荷、地面监控系统以及区域控制部分组成。
GALILEO系统将成为独立性、全球性、欧洲人控制的，以卫星为基础的民用导航和定位系统。其总的战略意图是：（1）建立一个高效的民用导航及定位系统；（2）使之具备欧洲乃至世界运输业可以信赖的高度安全性，并确保任何未来系统安全置于欧洲人的控制之下；（3）该系统的实施将为欧洲工业进军正在兴起的卫星导航市场的各个方面提供一个良好的机会，使他们能够站在一个合理的基础上公平竞争。
2、自主导航系统
随着武器性能的不断提高，军事战略思想也在不断地发展，武器系统对导航技术提出更高的技术要求，自主导航技术、无源导航技术适应军事战略和武器系统的新要求发展起来的。自主导航技术、无源导航技术是航行器或武器系统在不依赖于外部信息的条件下实现精确导航的关键技术，它大大提高了航行器或武器系统的机动性、隐蔽性、强干扰性和生存能力。自主式导航定位系统是利用导航的惯性原理，利用距离传感器、方向传感器等传感器测量运动载体的位移和航向信息，由此解算出移动载体的位置。航迹推算DR（DeadReckoning）是自主式导航定位系统的典型代表（主要用于车辆导航）；
1）惯性导航系统INS（InertialNavigationSystem）
INS主要是由惯性测量装置（加速度计和陀螺仪）、计算机和稳定平台（捷联式为"数学"平台）组成。由陀螺和加速度计测量运动载体相对于惯性空间的角速度和线加速度，通过计算机夹杂导航解算，从而获得运动载体相对某一基准的导航参数。INS具有在高速率下捕捉数据的能力，且精度很高，但是如果时间较长，精度则降低。为提高绝对精度，就需要增加别的传感器作为辅助。
2）航迹推算定位DR（DeadReckoning）
DR包括罗盘仪、速率仪、里程仪、转速计。这些传感设备能够测量出正在行驶的车辆的旅行距离、速度和方位，在短时间内这些传感器的精度较高，但对于长时间得采取措施以避免累积误差。
3)组合导航系统
虽然GNSS是当前最先进的具有全球、全天候、高精度、实时定位等优点的卫星导航定位系统，但是其动态性能和抗干扰能力较差。INS具有自主导航能力，不需要任何外界电磁信号就可以独立给出载体的姿态、速度和位置信息，抗外界干扰能力强。但是INS定位误差随时间的延续不断增大，即误差积累、漂移大。GNSS/INS组合能够充分发挥各自的优点、克服缺点，实现在高动态和强电子干扰的环境下实时、高精度的导航定位。因此，GNSS/INS组合导航定位系统具有广泛的应用前景，特别是航空、航天导航和武器制导等方面，具有非常重要的作用。组合式导航定位系统通常利用GNSS、DR、INS以及数字地图GIS或者其它技术等相互组合而成。根据目前国际科技发展水平，全球范围内现有的组合导航定位技术主要有:GNSS/INS、GNSS/INS/GIS。
4）无源导航系统
无源导航技术----地形匹配导航、重力场匹配导航以及磁场匹配导航是当代导航的一个重要发展方向。由于地形匹配、重力匹配、磁匹配辅助导航系统不依赖于目前仅由少数国家掌握的卫星导航系统GNSS（GPS/GLONASS），并具有高度自主性、隐蔽性、抗干扰性和高精度等诸多优点，能满足军事各种导航定位要求，引起了导航界及军方的普遍关注和高度重视，已成隐蔽性运动载体无源导航的重要手段。现在国际上普遍采用是：INS/地形匹配、INS/重力匹配、INS/磁场匹配以及它们的组合导航定位。这种技术主要用于航海和航天领域。
第三节 导航产业链及产业发展特点
一、导航产业链分析
中国卫星导航产业链
二、卫星导航产业的发展特点
卫星导航产业的发展，从全球来看，有以下特点：
1、卫星导航定位系统建设受到各国政府高度重视，多星座卫星导航系统陆续建立。多星座接收机在今后将会成为主流产品
为打破美国一国垄断全球卫星导航的局面，许多国家都在努力建设自己的卫星导航定位系统。目前，除了美国GPS卫星定位系统外，还有俄罗斯的GLONASS系统，以及欧盟正在建设的GALILEO系统。中国建成了北斗一代，正在建设CNSS系统。这些系统在建设过程中，相互学习，又不断竞争，促进了卫星导航定位系统的发展。
鉴于多卫星导航定位系统的建立，今后用户接收机将从GPS单星座转变成多星座，现在市场上己有GPS/GLONASS兼容机、GPS/GLONASS和WAAS、EGNOS和MSAS兼容机。另外估计明年将会研制出来GPS/GLONASS/GALILEO兼容机以及和北斗兼容的接收机。多星座兼容机的出现将大大提高卫星导航定位的可靠性、精度和实时性。
2、卫星导航在智能交通上的应用仍然是重要市场
随着定位技术的发展，集群网在全国普及，导航地图市场化，导航终端产品日趋成熟，车辆监控、防盗系统，渔船调度系统正在飞快发展。车辆调度系统己从特殊车辆监控、公交车和出租车调度向长途运输车监控、物流调度及私家车的安全防护上发展。监控系统也逐渐向专业化发展。国内已出现全国联网专业化车辆监控中心和监控服务公司。
国家加强对导航电子地图生产的支持和引导，规范了导航电子地图市场准入标准，并有一批专业生产导航电子地图的企业，车辆导航仪硬件日渐成熟。一些汽车厂家开始将汽车导航仪作为车辆进入市场的亮点，促成车辆导航仪开始进入汽车前装市场。车辆导航仪产业将逐渐走出低谷，成为重要的导航产品市场之一。
3、手持导航仪与通信系统相结合，形成基于位置服务的LBS系统将是今后卫星导航应用的另一个重要市场
这一市场产品的特点将呈现多样性：手机+卫星定位；PDA+卫星定位+通信模块。网络定位和卫星定位组合；通过中心站和通信网实现导航和位置查询等。定位信息服务已成为通信产业新的经济增长点。
随着通信界的介入和人们对这一技术的认可，基于位置服务的市场将会飞快发展并逐渐超过车辆导航市场。
4、单一化的系统向综合服务系统方向发展
长期以来，高精度卫星定位都是以专业化应用为主，一般都是一个企业购置三四台接收机，以多台仪器为一组，同时观测进行卫星定位。随着卫星定位技术在诸多领域的推广应用以及RTK技术逐渐成熟，随着网络RTK的出现，在一个城市、一个地区、一个国家建立由若干个基准站为基础组成的综合服务系统，已成为城市规划、建设、管理的基础设施，实现了一网多用。这既节省了投资，又能实现信息共享。如上海已建的综合服务网15个站，为上海市城市大气水气含量动态监测服务，为城市规划、勘测使用；北京市已建的卫星定位综合服务系统共计21个站，将为北京市规划局、地震局、气象局、测绘院、水利局、农业局、林业局、交通局等十余个委办局服务。这种综合服务系统已在全国许多城市铺开，如深圳、天津、昆明、重庆、成都等城市都在建设这样的系统。
5、产业化向专业化方向发展，逐渐形成产品研制，产品生产、系统集成、应用服务一条龙的产业化体系
产业化的发展必然要走向专业化，只有专业化才会有品牌产品。经过国家重点扶持和企业多年奋斗，目前已出现了专业化生产企业，如专门生产卫星导航天线、生产车载终端、生产导航仪硬件的厂家，专门生产电子地图和专做系统集成与信息服务的企业。专业化将会使产品越做越精，形成市场效应。
第四节 软件GPS原理与应用
一、全球卫星定位系统概况
全球定位系统(Global Positioning System)是一套由美国国防部建构的卫星定位系统，其基本原理乃是利用绕着地球的24颗卫星所发射的信号，再加以几何上的计算，来得到接收者的笛卡尔坐标(Cartesian Coordinate)，另一个与此相当的系统是由前苏联所建构之定位系统(Global Navigation Satellite System，GLONASS)，基本上，此系统也是由24 颗卫星所组成，这24颗卫星分别分布在3个轨道面，每一个轨道面又分别由8 颗卫星以相差45度(Latitude)均匀分布，此轨道面之高度约为19100Km，卫星运行一周需费11小时又15分钟。
简单地说，全球定位系统是一个以空间为基准，利用无线电波与时间差来测量距离的一个系统，它能够提供精准的位置数据、速度、以及时间。整个系统可以被区分为三大部分，我们称之为Space Segment、Control Segment和User Segment。
第一个Space Segment，主要就是由24颗卫星运行于半同步轨道，所谓半同步轨道指的就是卫星运行一周需费大约12小时(11小时58分钟) 所以在一天之中，同一颗卫星刚好出现在一个固定不动的使用者的头顶上两次(23小时又56分钟)，这24颗卫星以每个轨道4 颗卫星均匀的分布在6个轨道面上，每个轨道面都与赤道相差55度的倾斜角，而这些卫星所在的轨道高度平均约为20200Km。
这24颗卫星所发射出来的测距信号有两个频道( D-Band )，其一称之为L1，发射频率为1575.42MHz；其二为L2，发射频率为1227.6MHz。这两个为载波频率负责将扩频信号以高频载波来传送，GPS所使用的是扩频通讯(Spread-Spectrum)技术。扩频所调制的测距码(ranging codes)又可分成两种：一为1.023MHz的C/A码(coarse/acquisition codes)，顾名思义，依据这个码所得到的精确度较为粗略，而且C/A码也只用L1来调制，专门开放给一般商业用途的使用者；另外一个测距码是10.23MHz的P码( Precision Codes)，这个码同时调制在L1及L2载波上，由于P码的Chip较短，因此能够得到较精准的定位。
这两种测距码都能够被用来测量卫星与接收者之间的距离，然而通常P code还会被加密而且也只开放给被授权的使用者，所以P Code 通常也只应用在军事用途的定位系统上，也因为有这样不同的两组码，全球定位系统又被区分成所谓标准定位服务(Standard Positioning Service，SPS)，以及精确定位服务(Precise Positioning Service，PPS)，其中标准定位服务就是只使用C/A码在L1载波上，而精确定位服务除了使用C/A码在L1载波上，也再加上P code于L1和L2两个载波，除了这些测距码之外，最后也是最重要的就是一个50Hz的数据信息码。这个码载有的数据包括了卫星时序数据、卫星精确轨道数据(ephemeris)，此数据只含有发射信号的卫星本身的轨道数据、卫星基本轨道数据(almanac data)，此数据含有所有卫星的基本轨道数据及信号传播于电离层的修正数据。
Control Segment，这主要是由各个位于不同地点的地面控制站台所组成。其主控制站台(Master Control Station， MCS)位于美国科罗拉多州，其余几个站台则均匀沿着赤道分布。这些地面控制站的主要任务就是间测及控管这些在太空中运行的卫星，其功能包括有卫星轨道控管、卫星轨道数据更新、卫星本身维护等。这个系统之运作流程是由各个子站台分别接收它们所锁定的卫星的轨道数据，然后透过美国的防卫卫星通讯系统将数据传送到主控制站台进行轨道数据的估计及再预测，然后再将新的轨道数据通过地面天线站上载至各个卫星。
最后一个部分User Segment，才是跟一般使用大众有密切关系。所谓User Segment，其实指的就是GPS接收器，也就是本文要探讨的主角，其功能射频接收、译码以及处理卫星的轨道数据，进而计算出接收器的位置。
二、GPS的传统架构
一般商业用的GPS芯片组大体都是由天线、低噪音放大器、前端滤波器、射频IC、晶振、 存储器芯片与基频IC(内含中央处理单元)所组成。如下图所示，射频IC的主要功能是将GPS的1.57542GHz载波降频至基频，其主要是由低噪声放大器、混波器、自动增益控制、锁相回路、以及模/数转换器所组成。一般这样的芯片设计都会采用Bi-CMOS的制程以兼顾Bipolar快速、高增益、高驱动力、低宽带噪声和CMOS的低功耗高密度等好处。绝大多数的基频信号处理IC都是由CMOS制成，一般的基频信号处理芯片除了具备有de-spread的correlators之外也都还包含有中央处理单元，以处理追踪及导航的算法而实现卫星信号追踪及几何定位之计算。中央处理单元也负责与存储器芯片之地址/数据运算及与外部I/O的接口如UART。
这样的传统架构存在着一些瓶颈而无法应用在如移动电话等的消费性电子产品上。第一个也是最关键的问题就是接收灵敏度的问题。一般的消费者在使用GPS 时，多数会处在市区内，甚至在建筑物内，这样的环境绝对是GPS的天敌，因为在这样的环境下，卫星传送下来的信号不仅会被衰减，多重反射(multi-path)，甚至完全收不到任何信号(室内)。为了改善接收灵敏度的问题，各家厂商无不在RF IC 及追踪导航算法上力求精进。甚至更有厂商与移动通信网络(如GSM/GPRS 或WiFi热点)相结合，提供辅助导航之功能，使得即使GPS接收器在室内，仍然可以得到定位。
第二个瓶颈是消耗功率过大。在手持式的电子产品中，省电一直是一个最重要的课题。目前在市场上各家IC 的功率消耗分别从150mW到200mW不等。除了基本的耗电需要再继续降低外，有效的电源管理设计也成了重要的设计之一。尤其是传统架构需要用上一颗CPU使得功耗问题一直无法改善。 而且芯片设计也会降低电压至1.8V 以降低功耗。
第三个障碍是GPS接收器的尺寸大小。一般的GPS接收器设计，大体包含有射频芯片、GPS ASIC处理器芯片、CPU和内存。再加上外围其它电路后，其尺寸约略比一般的名片稍小。然而这样的尺寸完全不能符合手持式电子产品的需求。最后一个就是成本问题。凡是要同消费大众普及化的产品，在价格上一定要有竞争力。 而传统方案整个BOM成本则至少要15美元以上。
三、软件GPS原理
所谓软件base全球卫星定位方案，简单地说就是将软件移植到主机(host base)上去执行，以分享中央处理单元(CPU)，存储器芯片等，以进而达到省电，低成本，低功耗及节省板空间的需求。
这样的方案只需要外部一个射频芯片，其它都是利用主机(host base)的固有资源。前端射频芯片将射频信号降到基频，再经由仿真/数字转换器将信号快速取样出来，一般是由SPI (serial port interface)或SD Interface接到主机上的中央处理单元。接着由移植到主处理器的测量计算单元(Measurement Engine) 将射频取样信号转换成原始的GPS各种测量信息(raw GPS measurements)， 再由导航计算单元(Navigation Engine)计算出所有的定位数据，速度，时间等。在硬件部分，一般的冷开机模式下大略需要消耗掉主机上的中央处理单元约50MIPS到400MIPS不等，不同厂家的方案会有不同的系统需求。
四、软件GPS应用
以RF Micro Devices的RF8110为设计实例来说明softGPS的技术应用。softGPS需要将其运算软件移植到主机端的应用处理器上。其硬件架构，如图所示。
基于RF8110的SoftGPS系统
再选用Intel XScale的PXA-27X为主应用处理器，并以Single SPI(Serial Port Interface)模式来加以说明。其接口连接如图。
在此应用中，这个接口使用4线SPI从端口来传送控制信号及GPS数据流。其中MISO(Master In Salve Out)及MOSI(Master Out Slave In)分别做为单向GPS串行数据传输用。而SPI RDY则告诉主机其GPS数据流己待命，然后主机就要下读出命令。在软件移植上，则由图做个说明。
RF8110提供可移植性高的ANSI C sGPS Library，负责从GPS取样信号中计算出位置，速度及时间。sGPS Library与系统软件的接口为SAL(System Abstraction Layer)。主机端可以在其上开发导航应用软件，可以只是简单的NMEA输出，或是复杂的地图导航。
第五节 卫星导航定位技术的进展和应用前景
一、系统更新、升级及新系统发展方面
在系统发展领域主要包括美国GPS现代化、欧盟发展的Galileo系统、中国发展的北斗定位导航系统以及各国基于不同应用发展的各种增强系统。
1、GPS现代化计划
GPS现代化计划的进程安排：
1）GPS现代化第一阶段
发射12颗改进型的GPS BLOCK ⅡR型卫星，它们具有一些新的功能。既能发射第二民用码，即在L2上加载CA码；在L1和L2上播发P（Y）码的同时，在这两个频率上还试验性的同时加载新的军码（M码）；ⅡR型的信号发射功率，不论在民用通道还是军用通道上都有很大提高。
2）GPS现代化第二阶段
发射6颗GPS BLOCKⅡF（“ⅡFLite” ）。GPS BLOCKⅡF型卫星除了有上面提到的GPS BLOCKⅡR型卫星的功能外，还进一步强化发射M码的功率和增加发射第三民用频率，即L5频道。GPSⅡF型卫星的第一颗的发射不迟于2005年。到2008年在空中运行的GPS卫星中，至少有18颗ⅡF型卫星，以保证M码的全球覆盖。到2016年GPS卫星系统应全部以ⅡF卫星运行，共计24+3颗。
3）GPS现代化计划的第三阶段
发射的GPS BLOCKⅢ型卫星，在2003年前完成代号为GPSⅢ的GPS完全现代化计划设计工作。目前正在研究未来GPS卫星导航的需求，讨论制定GPSⅢ型卫星系统结构，系统安全性、可靠程度和各种可能的风险，计划在2008年要发射GPSⅢ的第一颗实验卫星。计划用近20年的时间完成GPSⅢ计划，取代目前的GPSⅡ。
2、Galileo全球定位系统
1）拥有者——欧盟
2）发展史
伽利略系统是欧洲自主的/独立的全球多模式卫星定位导航系统，提供高精度/高可靠性的定位服务，同时它实现完全非军方控制、管理、计划于2008年完成。可与美国的GPS和俄罗斯的GLONASS兼容，但比后两者更安全/更准确。
3）系统组成
GALILEO系统由30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备份星。卫星分布在3个中地球轨道上，轨道高度为23616千米，轨道倾角度56度。每个轨道上都部署9颗工作星和一颗备份星。
3、增强系统(WAAS)
其是对GPS观测量的误差源加以区分,并对每一个误差源的误差修正值(差分改正值),通过数据通讯链传输给用户,对用户GPS接收机的观测值误差加以改正，以达到消弱这些误差源影响，改善用户GPS定位精度的目的。
1）日本MSAS系统
1999年第一颗MTSAT(Multi-functional Transport Satellite )卫星发射失败由日本航空局建设空基增强导航系统
2005年2月26日MTSAT-1R卫星发射
系统最早于2007年初，第2颗MTSAT卫星发射后投入使用。
卫星位于东经大约140度，轨道高度大约35800km
2）日本的准天顶卫星系统(QZSS)
日本的准天顶卫星系统(QZSS)，是日本计划发展的另一增强系统，它将为日本及其邻近国家的GNSS服务提供与GPS兼容的额外测距信号，从而提高定位的可用性、精确度和可靠性。
3）EGNOS
欧洲静地星导航重叠服务（EGNOS）是正由欧洲开发的同时对GPS和GLONASS广域星基增强系统。它的原理与美国的WAAS类似，包括相应的地面设施和空间卫星，以提高GPS 和GLONASS系统的精度、完好性和可用性。EGNOS是欧洲GNSS计划的第一阶段，即GNSS-1，并作为向欧洲GNSS-2（即伽利略计划）发展的基础。
二、新技术、新方法的应用方面
1、精密单点定位技术
1）精密单点定位技术发展背景
当今的卫星定位技术正向着实时、高精度、高可靠性的方向发展，网络化、集中式的数据服务（Data Service）是这些技术的典型特征。
定位技术的领域界限逐渐变得模糊，随着理论的不断完善，各种定位方法相互融合，趋向统一。
定位技术的发展越来越多地依赖于计算机、无线通信、网等的技术发展，它的技术发展呈现出多元化和学科交叉的特点。
国外主要研究机构：JPL、NRCAN、CALGARY 大学、NAVCOM 公司等。主要研究进展：实时分米级、事后厘米级定位结果。
国内主要研究机构：武汉大学等单位。主要研究进展：2000年起开展研究， 目前实现实时水平10~20厘米，高程20~40厘米、事后厘米级定位结果。已应用于实际工程。
精密单点定位可以采取两种方式：
1）利用区域的实时观测数据计算钟差和轨道；
2）利用先一天全球的观测数据计算卫星轨道实施预报，同时利用区域性实时数据获取钟差；
利用精密单点定位模式，卫星钟差能在很大程度上吸收轨道误差，适合较大区域无基准站的高精度定位。
武汉大学自主研制开发的精密定轨软件（PANDAsoftware）能提供系统级服务。
精密单点定位技术应用于地理信息调查
1）公路调查
2）森林面积范围调查
3）环境监测
4）精密农业等。
基于INTERT、公众网的精密单点定位服务
2、网络RTK定位技术
工作原理：网络RTK也叫多基准站RTK。网络RTK就是在一定区域内建立多个（一般为三个或三个以上）坐标为已知的GPS基准站，对该地区构成网状覆盖，并以这些基准站为基准，计算和发播相位观测值误差改正信息，对该地区内的卫星定位用户进行实时改正的定位方式。
特点：覆盖面广，定位精度高，可靠性高，可实时提供厘米级定位。
我国已经建成的深圳市连续运行卫星定位服务系统就是网络RTK技术的实现。
网络RTK的组成：
1）基准站网
2）数据通讯链路
（1）基准站与数据处理中心数据通讯
（2）数据处理中心与用户部分的数据通讯
3）数据处理中心
4）用户部分。
网络RTK的优势：
1）覆盖范围更广
2）成本更低
3）精度和可靠性更高
4）应用范围更广
5）改进了OTF初始化时间。
网络RTK代表软件：
1）GPS-Network软件包 开发者： Trimble
2）LEICA-SPIDER软件包 开发者： Leica
3）Power-NET软件包 开发者：武汉大学GPS中心
GPS-Network软件的组成和及功能：
1）GPSNet 软件功能：
（1）连接和控制远程接收机，获取接收机状态和观测数据
（2）RINEX数据文件的创建和保存、参考站数据统计分析和质量监测
（3）单个基准站RTCM数据的生成。
2）DGPSNet 软件
（1）功能：网络RTK模型化信息，参考站间距离为70－300km, 单频流动站用户接收机。
（2）误差模型：模型化大气层和轨道误差，网络RTK解减少多路径效应影响，适合差分定位
（3）精度：单频接收机差分定位低于低于0.5m的定位精度。
（4）信息类型：RTCM 1,2,3, 9
3）RTKNet 软件
（1）功能：
A)全网电离层，对流层和星历误差的模型化
B)VRS处理器为流动站接收机提供网络RTK模型化信息。
（2）精度：快速初始化，网内任何位置厘米级的定位
GPS-Network软件特点：
1）采用VRS技术
2）全网电离层，对流层，轨道误差进行模型化
3）双向数据通讯
4）流动站提供自己的概略坐标，数据处理中心软件根据流动站的位置生成虚拟参考站的观测值，并按照标准的RTK差分协议格式发给流动站；
5）用户量受到通讯能力的限制；
6）易于监控和管理流动站用户权限、作业。
LEICA-SPIDER
1）MAX服务
（1）提供全网络的误差改正信息
（2）单向数据通讯(ISDN/PSTN)
（3）用户量没有限制。
2）i-MAX服务
（1）流动站提供自己的概略坐标
（2）基准站软件计算出最优的流动站误差并提供给该流动站
（3）双项数据通讯(ISDN/PSTN)。
Power-NET由武汉大学GPS中心开发
Power-NET软件包：
1）基准站管理软件Power-RS
2）系统管理和播发软件Power-MS
3）计算软件Power-NET
4）网络服务软件Power-Web
5）用户计算软件Power-US
6）支持CBI和PPP
技术特点：单向通信、用户需要专用解码器。
Power-NET系统结构图
网络RTK定位技术的应用：深圳市连续运行卫星定位服务系统。
1）深圳市连续运行卫星定位服务系统是我国首例集现代计算机网络、卫星定位、大地测量、现代移动通信等最新技术的城市级定位与导航综合服务系统；
2）“空间数据基础设施”的重要组成部分。
3）向各类用户提供米级、分米级、厘米级服务。
4）系统包括基准站网、监控分析中心、数据传输系统、数据发播系统、用户应用系统等
5）实现现代化数字城市所需的位置、速度、时间系统信息的数据采集与服务。
6）满足城市建设的行业服务需求，并使GPS位置服务拓展到个人服务中。
3、连续运行卫星定位服务系统技术(CORS)
概念：CORS：Continuous OperationalReference System。连续运行卫星定位服务系统CORS是利用GNSS技术、计算机网络技术、通信技术等组成的分布式系统，用于提供移动定位、动态框架等空间位置信息服务。
CORS在各种网格中所处的位置
CORS结构：
1）基准站子系统
2）系统控制中心
3）用户数据中心
4）用户应用子系统
5）数据通信子系统。
CORS一般结构图
CORS特点：
1）分布式，资源异构，透明性。
（1）分布式：CORS分布于某个区域，要求基准站、处理计算机等资源协同工作。
（2）资源异构：基准站资源，信息异构性。
（3）透明性：用户得到的移动定位服务与资源的服务无关。
2）根据需要可使用一种或多种GNSS定位技术
（1）实时定位技术和精密后处理技术
（2）网络RTK和PPP
用户应用子系统结构简图
系统控制中心结构简图
CORS类型：静态CORS和RTCORS、城市CORS、国家CORS
1）按实时性能
（1）静态CORS：提供各类数据产品，如观测数据、卫星轨道产品、大气参数等。
（2）动态CORS：Real Time CORS（RTCORS）包含静态的全部功能，具有实时移动定位服务功能。
2）按覆盖区域
（1）微型：工程中所建设的，服务于特定目标
（2）区域：
A）城市CORS：覆盖某城市的系统
B）省级CORS：由城市CORS联网构成
（3）国家：省一级联网构成
（4）全球：国家级CORS互联构成
静态CORS和RTCORS：
1）技术差别
（1）定位技术的方式
是否采用如网络RTK等实时定位技术。
（2）通信技术的采用方式
是否采用了连续实时通信技术
2）系统差别
（1）系统复杂程度
RTCORS比静态CORS复杂
（2）RTCORS目前多是小区域系统，如城市级，小国家级。
RT-CORS包含静态CORS
区域CORS：
1）应用：城市或省辖范围内的综合定位服务。
2）精度：覆盖范围广，20mm~3m
3）服务：社会开放，满足不同用户需求。
4）功能：事后和实时的定位服务。
5）按覆盖区域可进一步划分为：城市CORS、省级CORS。
城市CORS：
1）应用：城市综合定位服务，如测绘。
2）精度：覆盖范围广，20mm~3m
3）服务：社会开放，满足不同用户需求。
4）功能：事后和实时的定位服务。
5）特点：覆盖某一城市范围，多采用网络RTK技术建立RTCORS，系统可伸缩性好。
6）难点：建立稳定可靠的通信网络。
7）典型事例：深圳市连续运行卫星定位服务系统SZCORS。
省级CORS：
1）应用：省范围内的综合定位服务，如测绘。
2）精度：覆盖范围广，20mm~3m
3）服务：社会开放，满足不同用户需求。
4）功能：事后和实时的定位服务。
5）特点：多由城市CORS组成，根据需求可能具备实时定位服务功能。
6）难点：城市CORS的互操作问题。
国家CORS：
1）应用：提供空间数据框架和数据服务，部分地区可提供实时定位服务。
2）精度：相对精度要求高。
3）服务：满足各行业用户需求。
4）功能：事后或（和）实时定位服务。
5）特点：覆盖国家范围，系统可伸缩性好。
6）组成：多由省级CORS组成。
7）典型事例：美国、加拿大、日本等。
美国的连续运行参考站网系统(CORS)是一个多功能网，除满足用户精密定位要求外，还可满足气象、地球动力学、地震监测、实时广域差分等多项任务。其目标是：100-200km距离上的GPS相对定位，几分钟或更短时间即可达1cm级的相对定位精度水平。其服务方式原则上是公益性的。
美国的连续运行参考站网系统
加拿大的主动控制网系统（CACS）。加拿大大地测量局将该国目前已建成的十几个永久性GPS卫星跟踪站构成一个主动控制网（CACS），作为加拿大大地测量的动态参考框架。其目的通过因特网提供网站地心坐标和相应的GPS卫星跟踪观测数据，用户采用GPS单机即可进行事后精密定位。还提供精密星历、卫星钟差、电离层模型等广域差分修正。视用户GPS接收机性能高低，其实时定位精度从1米到10米变化。
加拿大主动控制网系统
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