影响GPS应用发展的几个重要因素

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影响GPS应用发展的几个重要因素

茫茫宇宙，威严肃穆，群星闪烁；蜿蜒大地，峰峦叠嶂，河川遍布，激起了人们无限的探索欲望。人类自诞生之日起，就从未停止过行动的脚步。自从人类第一次试图离开自己熟悉的环境投入于未知的世界，导航技术就成为人类不可或缺的重要技术。导航技术的发展伴随着人类探索活动的深入而获得不断的发展，使得人们能够去认识更为广阔的外部世界。可以说，导航技术的发展推动了人类文明的进程。

人类早期的导航经历随着岁月的流失已成为过去。今天，随着空间技术、微电子技术和计算机技术的发展，以这些综合技术为基础的现代GPS卫星导航系统正掀起人类导航史上的一场重大革命。

GPS本是冷战时期的产物，和军事通信卫星、各种侦察卫星、导弹预警卫星、军事气象卫星一样，是为那个时代美国的全球政治军事战略服务的。因而，军方投资100亿美元开发的GPS系统从一开始就被确定由军方管理，主要用于军事目的。但发展到后来，全世界的民间用户已大大超过了军方用户，并从根本上改变了众多行业的导航格局，为无数的用户提供了便利和安全。这是一个非常耐人寻味的结局。

从第一颗人造卫星升空到第一代卫星定位系统的立项只用了一年时间，而第二代卫星定位系统(GPS)尚未完成布局，就已渗透到军、民等许多应用领域，并在海湾战争中显示了巨大的作用。这种异乎寻常的发展，说明了社会需求的迫切性。

目前，GPS应用的范围越来越广，它被称为是“第四代导航系统”，是美国继“阿波罗”登月、航天飞机之后的“第三大航天工程”，是“美国国防部内部影响最深远的计划之一”。不仅如此，GPS还从高技术应用领域逐渐走向人们的日常生活。

在GPS技术从军事应用到走向民用、走向个人应用的过程中，我认为有三个方面的因素起了重要的作用。

一、DGPS(差分GPS)技术在促使GPS从军用走向民用的过程中起到了促进作用

在GPS卫星全球定位系统建设之初，美国国防部的主要目的是使GPS系统在海陆空三大领域内，提供实时、全天候和全球性的导航服务，实现情况收集、核爆监测和应急通讯等军事目的。

GPS在美军军事行动中已经获得了许多成功的应用。典型的例子就是参加海湾战争的每个美国士兵都装备了GPS设备。

在1991年的海湾战争中，美国第七骑兵师横穿沙漠，千里奔袭，击溃伊拉克6个主力师，而该师只死亡9人，这是人类战争史上的奇迹！该师师长认为这主要依赖于GPS技术和夜视技术。荷兰Scoff · F上校在海湾战争后德国国防部召开的“GPS军事应用国际学术讨论会”上作了“海湾战争中美军GPS应用状况”的报告，详细论述了GPS在美军9个兵种中发挥的巨大作用。

美国国防部的研究报告认为，研制GPS系统虽然历时二十多年，投资300多亿美元，但仅海湾战争的受益，就已经超过投资。

但是，卫星导航定位系统具有多方面的用途，GPS卫星所发送的导航信号，是一种可供无数人利用的信息资源。广大用户只要利用GPS接收机，就可以全天候地接收高精度的卫星信号。其用途之广，影响之大，是任何其它接收设备望尘莫及的。

GPS只限于军事应用无疑是一种极大的浪费。在GPS设计的初期，美国会就要求国防部与有关部门共同研究兼顾民用，特别是利用GPS改善民航导航问题。在这种背景下，美国政府向民间用户开放了GPS应用，但仅提供有别于其P码精度的C/A码，且基于其战略考虑，对GPS工作卫星于1991年7月1日全部实施了SA(Selective Avalibility,选择可用性)技术，将实时定位精度人为地从原来的25米以下降低到100米以下。而100米的定位精度在许多情况下根据无法满足应用的需要。

民间用户虽然报怨美国政府的做法，但也只能转而求助于其它解决途径。差分GPS技术就是在这种背景下应运而生的。

其实差分技术很早就被人们所应用。它是在一个测站对两个目标的观测量、两个测站对一个目标的观测量或一个测站对一个目标的两次观测量之间进行求差，以达到消除公共项(包括公共误差和公共参数)的目的。在以前的无线电定位系统中也已被广泛地应用。

GPS定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量来实现的，同时还必须知道用户钟差。因此，要获得地面点的三维坐标，必须对4颗卫星进行测量。在这一定位过程中，存在着三部分误差：一部分是每一个用户接收机所共有的，包括卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等；第二部分是不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差；第三部分是各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。借助于差分技术，第一部分误差完全可以消除，第二部分误差大部分可以消除，这主要取决于基准接收机和用户接收机之间的距离，第三部分误差则无法消除。

随着GPS应用领域的扩展，对差分技术的研究越来越深入。在实践中，以差分GPS(DGPS)为主体的各种技术和体制，在一定条件下不仅可以消除SA的影响，而且还可以获得比PPS还要高的精度，一般都能达到10米以下的精度，比较成功的系统还可以达到接近1米的精度。美国国防部自己也在使用DGPS，还支持海岸警卫队这种准军事单位建立有相当规模的DGPS系统。

近年来出现的若干具有增强功能的广域乃至覆盖全球的DGPS系统方案，更加咄咄逼人，对美国国防部的GPS军事优势带来严重威胁。最主要的挑战来自美联邦航空局提出的广域增强系统(WAAS)方案。这一方案的精度略低于DGPS，但最终可以达到I类精密进近的要求。这一方案经过多年准备，操作性强，规范完整，具备投标和签订合同的基本条件，而且有强烈的国内国际和国际需求背景和重大的社会效益。

这样一来，民用GPS技术在美国以及一些发达国家迅速发展，民用产品数据、应用规模都大大超过了美国及其盟国军方用户，以至于海湾战争其间美军的P码接收机严重不足，不得不大量使用民用C/A码接收机。

这种局面以及实用中通过DGPS技术获得的精度超出了军方的预料，美国国防部的心态是“不安”和“无奈”。他们一方面重新开发技术手段，进一步撇开军用精度和民用精度的差距(即目前启用的SA/AS)，一方面对军民共用，民用发展势头超过了军用的既成事实，也只能采取承认和支持的态度。

由于GPS民用技术向全世界开放，不仅许多国家在大规模应用，而且一些重要国际组织也在积极推广使用GPS。GPS在世界范围已形成一种产业，美国国防部如果限制GPS的民用(更不用说取消)，将冒天下之大不韪，政治上陷入被动的地位。

除此之外，GNSS(全球卫星导航系统)和WAAS计划的出台，GLONASS部署完毕和俄罗斯保证不降低民用精度的措施，使SA技术逐渐失去其固有的意义。它非但不能制约民用用户获得高精度的定位数据，还将约束美国GPS产业的发展，进而影响美国在全球导航战略格局中的统治地位。

鉴于这种情况，今年5月1日，美国总统克林顿签署命令，宣布解除对GPS卫星信号的SA限制，GPS用户因而可以获得比原来高10倍的定位精度。全世界的GPS制造商和用户都对此感到振奋，因为这意味着，GPS向民用领域发展的障碍已经扫除。

二、计算机软件技术和全球无线通讯技术的发展使GPS技术走向实用

回顾GPS技术发展的过程，我们会深切地感到，计算机软、硬件技术和通讯技术的发展极大地促进了GPS技术走向广泛应用的过程。

从传统定义上来讲，导航就是引导交通工具或其它运动物体从一个位置移动一到另一个位置的过程。但是现代意义上的导航内涵已极大地扩展了。当今世界交通运输和其它运载体迅猛增加，而能源日趋短缺，交通伤亡和能源浪费难以计数。因此，现代导航不仅要解决运动体移动的目的性，更要解决其运动过程的安全性和有效性。

主要提供定位功能的GPS，通过与计算机软件、硬件技术的集成，其功能就被极大地扩展了，可以更好地满足不同行业的特殊需求。

下面，我们以北京丰瑞宜科技发展有限公司的GPS卫星导航软件和移动目标监控导航系统来具体说明这一点。

作为单机使用的GPS卫星导航系统内预装了全国地图和近200个城市的详细地图。如果你有一辆车且拥有一套丰瑞宜公司的GPS导航软件，那么无论你行驶到哪里，它都能够根据所处的位置自动漫游地图，并显示当前的地理坐标、速度、方向等信息；在出行前，你可预先规划好行进路线，它就能够提示和引导你沿着规划的路线行进；在途中它能够用语音报告方位以及距目的地的距离；你可自定义特殊区域，进入或离开这些区域时，它自动用语音警告；在交叉路口处，它能够自动用语音提示左转或右转；它能够把你的行进轨迹如实、完整地记录下来，以备事后重新播放。

它还提供了丰富的地图信息查询功能，能够让你方便地添加地图和各种可查询信息，以便构造更适合于你的专用系统。你可以放大、缩小和漫游地图，以使浏览地图更加方便。每到一个地方，你都可以查询居民地、饭店、旅游景点、加油站、医院、学校、公交车辆等多种信息资料，将你关心的地点用不同的符号和文字标注在地图上。

移动目标监控系统可使有关部门准确掌握有关移动目标的各种信息，在电子地图上实时观察移动目标的位置及运动状态，并对其进行调度、监控，真正实现 “运筹帷幄之中，决策千里之外”。

移动目标监控系统在中心一端提供全国交通图及200多个城市的详细交通旅游图；支持地图的放大、漫游、动态比例尺显示及分层信息查询；对指定目标跟踪显示，受理移动目标发来的报警信息；可以测定目标距某点的距离，优化路径；当被监控目标偏离指定路径或驶入报警区时发出警报；可查询显示受控车辆的各种信息，自动记录受控目标的方位、行进时间、运行路线等信息，并可回放打印相关信息等。

这就是说，围绕着定位这一基本点，又延伸出了许多更为实用的功能。正是这些功能，使GPS走向了各行各业。

全球无线通讯技术的发展使GPS监控系统的覆盖范围延伸到了全球。早期， GPS监控系统主要依赖无线电台进行通讯。一方面，电台受天线架设高度和功率的限制，覆盖范围都很有限。为了能够监控几十公里以外的目标，通信设备的投入即大大上升。另一方面，在用户较少的应用中，通讯电台的不可缺少使系统成本难以降低。

全球无线通信技术的应用彻底改变了这种状况。以丰瑞宜公司推出的移动目标监控方案为例，监控中心的硬件设备是如此简单：用便携机很方便就形成了一个可移动监控中心，这在某些情况如军事应用中是需要的。

在移动目标端，可采用如下图所示的GSM－GPS一体化模块：  

用户如果已有手机，也可以采用手机＋GPS天线的硬件方案，以利用已有资源。

这样的移动目标监控方案即可实现对移动目标在全球范围内的漫游监控，而其规模可大可小，配置灵活，且硬件便于操作、维护。

三、掌上电脑、汽车电脑的出现是GPS技术最终走向个人的催化剂，将会带来GPS应用的春天

虽然GPS、GIS 的应用在国内已经展开，但仍局限与较为专业的领域。一个一个孤立的项目虽然满足了局部的需求，提高了效率，但从总体上来说，不成规模的重复的建设也意味着社会财富的巨大浪费。只有一些简洁、通用的东西普及之日，才是GIS、GPS应用的春天来临之时。

这就像计算机的发展过程一样。80年代初的时候，计算机在人们心目中还是极其昂贵、高不可攀的尖端设备。比尔.盖茨当年有一个梦想，那就是让PC机走向每一个人。经过二十几年的奋斗，计算机 这个世界上成长最快的产品，已经在世界上安家落户了。现在，互联网事业的迅速崛起使我们的梦想又一次得到飞跃。“网络就是计算机！”Sun公司的这一句宣传口号，成为对“后PC时代”的精确预测和对“网络时代”的精彩定论。网络已经毋容置疑地展开它巨大的触角，建设着全球统一的数字神话。一场新的革命到来了，那就是计算机在占领了桌面之后又继续其小型化和分散化的趋势，更广泛地进入人们工作、生活和娱乐的各个方面。围绕着接入Internet，大量新型的以家庭为切入点、功能明确、使用方便的消费类电子产品，像手持电脑、掌上电脑、顶置盒、WebTV、汽车PC、手表PC、可穿戴PC、智能电话等等，如雨后春笋般出现了。“我们正在进入诸机消费时代。”有人把这称为后PC时代或信息家电时代，而PC将缩小为一个芯片，成为信息时代无所不在的马达。

掌上电脑、汽车PC的出现、网络的延伸、无线通信技术的发展使人们随时、随地都具备了获取信息的条件。随着经济的发展和人们生活水平的提高，人们更加关注生存的质量，渴望更加高效、顺畅、安全地工作和生活，这就是GPS 、GIS、RS与计算机、网络技术集成应用走向个人的最深厚基础。近年来兴起的旅游热及其带动起来的地图产品热销就是一个最好的证明。应用平台的普及和多样化——台式机，便携机，手持电脑，掌上电脑，汽车电脑，手机和逐渐遍及每一个角落的网络——为这个GPS走向个人提供了前所未有的可能性。可以肯定地说，掌上电脑和汽车电脑市场的成熟将成为GIS、GPS应用走向个人应用的催化剂。将来的某一天，外出的人们手拿的不再是纸图，而是更为灵巧、智能化的、可随时提供定位、导航服务的GPS 、GIS　集成产品，这决不是梦想。

美国政府要求2000年后出厂的高档汽车必须具有GPS导航功能，2001年后的手持电话也要集成GPS功能。所以，未来的发展趋势就是融合。有一天我们将区分不开手机与电脑，因为它们都将被这样一种设备取代，它兼具手机、电脑、GPS、信用卡、钥匙、电视、音响等等一切功能，而又小得可以放进口袋里。

除此之外，以定位功能为基础的其它日常用品会大大丰富起来。例如，一些公司正在开发一种被称为GPS项链的儿童用GPS产品，用于儿童援救行动。这种项链上有一个非常隐蔽的按钮，儿童在遇到紧急情况时按下这个按钮，位置信息和警报信息就会通过内置的无线通讯装置发送到救援中心。那样的话，我们的孩子是不是更安全了呢？

凡是有位置需求的地方，就有GPS的用武之地。

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