卫星导航定位与通信手段的结合

dmhang

转自http://www.52rd.com/Blog/Detail_RD.Blog_dmhang_17742.html

随时随地的能够知道自己位于地球上哪个位置，是人类应有的权利。感谢美国NASA、DOD、DOT，他们于20世纪60年代提出的最佳导航定位系统标准直接导致了GPS系统的建立，从而让人类这一权利得以实现。NASA是搞航天的，他们的兴趣和参与是显而易见；DOD管国防，自然是看到了卫星定位在国家安全和军事方面极大的意义；DOT作为交通部门，卫星定位的导航功能、车辆定位监控功能显然对他们极具吸引力。

曾几何时，GPS定位作为美国军方的玩意，在Hollywood的大片里扮演着神乎其神的角色。Harrison Ford在《Patriot Game》中对美军部队在沙漠中行动的远程监控和指挥、Will Smith在《Enemy of The State》中被政府特工放遍全身的定位跟踪设备，无不让人惊叹着GPS的强大功效。

再看今天，“旧时堂谢堂前燕，飞入寻常百姓家”，曾经是美国军方独享的GPS系统，随着2000年5月1日克林顿总统的一纸文件，取消了SA政策，将民用的GPS接收精度提高了10倍，从而为民用市场打开一片宽广天地。现如今，GPS的导航仪如前些年的MP3、MP4般泛滥，北京中关村、上海太平洋、深圳华强北，各地如卖白菜般贩卖着各式各样的GPS导航仪。开车的人车上要是没有一台导航仪，到哪里心里都好像没着没落。GPS、电子地图、LBS等也俨然成为业界炙手可热的热门词汇。

卫星定位导航行业正逢盛世。所谓盛世，是指鼎盛时期、巅峰时刻，如灞上少年般春风得意、鲜衣怒马。另一方面，却意味着再往后，就只能往下，不会再上了。在冬天是否一定会来之前，多吹吹“冬天已经不远”的风，有着居安思危的效果，常常警醒一下也是不错。

但事实是这样么？如果仅仅指导航仪产品，恐怕确实如此，Garmin开始做手机就是个明证，想来TomTom的转型也为期不远。可要说整个卫星定位导航行业，则如刚被开垦的处女地般，还有相当多的未探索空间等待被发掘。对未来的预测不能太长，也不敢太长。单看看一两年内，一个已经不算新的形式（或者说是平台）就会对整个卫星定位导航行业产生巨大影响。这一形式就是卫星定位和移动通信的结合。落实到具体产品上，可以是具有GPS功能的手机，也可以是车辆监控系统的车载终端。落实到应用上，则是大家耳熟能详的LBS。

业界都公认，LBS将会有巨大的成长空间，其上的应用必然层出不穷。如基于位置的交友、基于位置的游戏等。再如前述《Patriot Game》中的军队远程监控指挥、《Enemy of The State》中的远程跟踪定位，也是卫星定位与通信结合的典范。究其原理，不过是获取位置信息以及通过通信手段传送位置信息，两者结合，如太极图一阴一阳，便可演绎万物。

汶川地震时，地面通信全部中断，由灾区传出第一条信息的头功竟然归于中国的北斗一代卫星导航系统，略有讽刺之余，也看出卫星导航与通信结合在关键时刻的功效。当然，北斗一代的有源定位在原理和性能上广受诟病，那是另说。

卫星定位和通信相结合的平台日益成熟和普遍，其上的各种应用的提出和推广更多的是市场和战略层面的东西，那就交由marketing的精英们去劳心。对于穷经皓首的技术人员们来说，除了把这个平台搭建成熟以外，又能从中深入的挖掘出来什么呢？

对于做移动通信的工程师而言，最先想到的应该是定位方法。除卫星定位外，还可以采用基于移动基站的Cell ID定位、基于基站信号传输的TOA定位，当然还少不了基站辅助的A-GPS定位。把3GPP规范里有关LBS的Technical Specifications仔细研读番，收获肯定不小。做无线通信的工程师也会想到另一种定位方式，即基于WiFi的定位，或者提出个基于传感器网络的定位方式。做移动电视的工程师，可能会提出基于移动电视信号的定位，做短距通信的工程师，则会提出基于红外、蓝牙、乃至RFID、ZigBee的定位方法。总之，除了卫星定位外，还有很多定位方法，把这些定位方法全部结合，或者就是一种多种定位方式结合的组合定位系统（Hybrid Positioning System）。而这种系统最大的好处，就是解决了卫星定位的室内覆盖问题。

讨论起组合定位，就变成另一个大课题，和卫星定位与通信结合的预设前提渐行渐远。还是把话题拉回来，从做卫星定位的工程师角度来看，能利用现有的、成熟的、广泛使用的卫星定位+移动通信的平台，做出哪些实际又有意义的事情？

如今的GPS系统，很好的完成了当初NASA、DOD和DOT所提出的标准特性要求，即全球覆盖、连续/全天候、高动态、高精度。而对于民用而言，最终用户很朴素的实用主义要求的则是如下两样：快速启动和定位精度。针对启动时间，因为有了通信链路，可以使用A-GPS；针对定位精度，拜通信链路所赐，可以使用D-GPS。

先说A-GPS，即网络辅助的GPS，原理非常简单：通过通信链路从网上下载最新的星历、历书，省却了直接从卫星下载数据的时间（约30s一个周期）和对信号强度的要求，大大提高了启动速度和启动时的灵敏度。具体实现起来，则分成多种流派，如CDMA2000中网络为主的辅助GPS，最明显的实例即专利大鳄高通的GPSOne系统；再如3GPP规定的控制面辅助AGPS，通过控制面信令实现GPS数据的辅助。

为了尽量剥离对系统标准的依赖，OMA（Open Mobile Alliance）给出了用户面的AGPS协议，即SUPL（Secure User Plane Location）。该协议从移动通信系统的用户面传输数据，实现对GPS的辅助，移动通信系统本身的角色成为数据传输的承载（Barrier），而不是数据信令交互的参与者。SUPL协议的服务端也不再受到通信运营商的限制，更加开放。

SUPL的好处，举一个实际的例子就可明显看出。Nokia的上一代机皇N95支持AGPS。该机内置的GPS芯片为TI的NavLink，GPS天线则采用Pifa天线，这种配置，如果放在导航仪上，肯定无法卖得出去。实际测试结果也很符合其配置：在开阔天空下，如果使用自主定位，启动时间至少在3分钟以上，但当打开采用SUPL协议的AGPS功能后，即使在高楼林立的市中心地区，启动时间也可在10秒钟以内。两者性能差别一天一地。这也可见Nokia为何底气十足的推出那么多款采用Pifa天线的GPS手机了。（顺带一句，Nokia的SUPL协议服务端地址为supl.nokia.com。）除了Nokia外，HTC的多款GPS手机上使用的搜星快手功能，也是基于SUPL协议的AGPS。

前段时间，《GPS World》杂志上一篇文章提出了BGPS的名词，即AGPS加上星历扩展算法等结合的一种概念。从技术实现的角度来看，更多的是一种概念，这里也不详述。

目前民用的GPS定位，其标称精度在10m以内，实际环境中在几十米范围内。这样的精度对于车辆导航等应用，可以说刚好够用，却又稍欠火候。如能进一步提高精度，自然是用户所愿，对于新的应用的兴起，也大有裨益。如智能交通就要求至少米级的定位精度。提高定位精度最直接的方法就是差分（DGPS）。

DGPS一直以来是测量类应用所使用的技术，可以说身份高贵，一般导航类平民应用无法企及。而随着各国各地区的差分参考站网的建设日益成熟，DGPS在GPS与通信集成终端上落户的日子越来越近。而这也拜另一个协议所赐，即NTRIP（Networked Transport of RTCM via Internet Protocol）。该协议规定了通过IP传输RTCM差分数据的方法。基于该协议，可以传输诸如RTCM、RAW、RTCA的差分数据，包括可传输载波相位用于RTK。http://www.ntrip.org网站上给出了目前全球所有提供NTRIP数据广播的IP地址及其数据的可用范围。目前，这一协议主要用于测量类应用，往往需要通过认证才能获取相关数据，但谁又知道未来不会开放给所有用户呢？通信链路已经做好准备，正如路已修好，上面跑的车，只会越来越多。

拉拉杂杂半天，其实就为了介绍两个协议：SUPL和NTRIP。在以GPS手机为代表的GPS与通信集成终端的广泛应用的形势下，我们看到了SUPL和NTRIP两个协议大显身手的机会，也将为卫星定位带来更好的终端体验。

yulu2007

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