GPS模块可以为儿童定位器、勘测仪器或自主车辆提供位置信息。这类信息提供装置的价格从手机芯片的不足一美元，到高精度模块的数百美元不等。手机GPS接收器也许可以让你“足够接近”所查找位置，而较高端的模块能提供厘米级精度的位置信息。Trimble公司先进元器件营销总监Joel Avey解释说：“最简单的情况下，GPS接收器获取卫星信号，把其中的信息解码，并计算位置、时间和速度。”


不熟悉GPS技术的工程师可能会误解它的工作原理。Connor Winfield公司Navsync部门首席技术顾问Ken Hartman说：“他们可能认为GPS模块与卫星通信。事实上GPS模块只接收卫星的信息，无法把自己的位置报告给某个地点，除非把这种能力放到产品里。”工程师们经过几次误解后，理解了GPS系统的工作方式。


由于GPS模块厂商提供了太多种类的产品，因此Joel Avey告诫芯片设计商和系统集成商，首先要彻底了解自己对GPS信息的需求。他问道：“你想实现什么？你期望哪种工作环境？人们经常对GPS接收器抱有不现实的期望，并不了解接收器能做什么，不能做什么。因此他们应该问厂商，GPS能用于我的产品吗？GPS接收器能在特定条件下工作吗？在这种应用中，我可以期望什么样的精度？”


许多工程师都假定：既然GPS接收器能指示位置，那么它们一定代表正确的物理位置。事实上GPS接收器处理它拥有的信息，而有时这些信息含有错误。Novatel公司勘测与核心产品开发经理Jonathan Auld说：“工程师们经常不考虑错误来源，因此我们必须向他们解释。首先，卫星轨道不精确，因此GPS接收器无法知道精度更好的卫星位置。其次，卫星携带的时钟引入了小误差。第三，在微弱的GPS信号通过电离层和对流层时，也可能会造成误差。第四，在接近接收器时，信号可能会从附近物体反射过来，并干扰主信号。第五，GPS接收器及其周围电路会产生一些电噪声。”把这些影响合在一起，再减去系统噪声，就得到“用户等效距离误差(UERE)”。


在Magellan公司专业业务部产品营销总监Robert Snow看来，工程师们通常会误解天空条件和接收器对天空的“视野”是如何影响精度的。他说：“当你处在被卫星环绕的位置时，你会获得最好的精度，这包括此时在地球‘下方’的那些卫星。但卫星信号并不能穿过地球，因此最佳位置是在开阔的海洋上，接收器能直接看见天空中的卫星，因此会产生很准确的水平位置。由于建筑物、树木或隧道挡住了天空，各种条件会导致接收器丢失卫星信号，这会降低精度。”Snow补充说，“但是所谓地球的‘下方’没有卫星，因此垂直精度是水平精度的2/3左右。


障碍物不仅会使卫星信号减弱，还有可能完全阻挡信号，使接收器无法检测到。例如，当你驱车穿过城市时，GPS接收器可能只能收到几个卫星的信号。某些情况下，即使在开阔区域，GPS接收器也可能无法获得所有可见卫星的有用信号。


由可用卫星的几何分布或位置导致的精度测量值的退化归属于“精度稀释”(DOP)或“几何精度稀释”(GDOP)类目。DOP特性分别适用于水平、垂直、3D、时间信息。不妨这么看待DOP：假设你必须对远处水塔的位置做三角测绘。在已知地点，你从两个相距10英尺的位置做角度测量。然后选择另外两个相距3英里的已知位置，做另一对角度测量。显然，随着你增加基线测量距离，三角测绘距离测量值的精度会上升。同样，如果在接收器的位置能看见更多卫星，就能获得更好的精度。


Robert Snow表示：“如果客户需要，多数GPS接收器都将计算DOP值，这样就能根据视野内的卫星来确定精度。几何分布可能使精度严重退化。”DOP值范围是1（理想）至21-50（差）。


经由多条路径到达的信号，由于它从轿车、建筑物等硬表面反射过，也可能会使精度退化。Robert Snow解释说，“这些信号到达时间比预定的晚，因此它们在GPS接收器看来，仿佛来自更远的卫星。因此，接收器会把位置信息报偏一点。拥有能减轻多路径效应的特殊接收器，可以更准确的进行定位。多数厂商都努力以这样或那样的方式减轻它们。就保持精度而言，减轻多路径信号的影响非常重要。”


获取时间

GPS接收器要花时间来获取对自己位置的修正，而开发商们经常用“首次修正时间”规格来比较接收器性能。Joel Avey解释说：“系统设计商也许没有认识到，接收器必须经过一个获取（或搜索）过程，来搜索信号的GPS射频频谱，然后处理收到的数据。接收器获取了卫星信号后，就能解释数据，并进入跟踪模式。与跟踪阶段相比，获取阶段需要更强的信号，或者更高的接收灵敏度。在获取期间，接收器必须从背景噪声中选出信号，并核实它们是初级信号，不是旁瓣信号或误锁定信号。在核实自己拥有正确信号后，接收器就能把卫星作为较低的信号电平来跟踪，因为此时它知道要在自己收到的信号中寻找什么。”


Joel Avey也表示，某些情况下，接收器就是无法“发现”足够多的卫星信号来获得良好的修正，这是因为浓密的树叶和树冠、隧道、建筑物等众多因素导致信号电平很低。“因此工程师们也许会说，你们规定接收器能在特定信号电平工作，但它不能。他们不理解的是，获取任务和跟踪任务所需的信号电平不一样。”


在室外能清晰看见天空时，获取任务可能需要1－10秒，这取决于接收器和环境。Joel Avey表示，最坏情形下的启动（此时GPS接收器没有时间、位置或卫星的相关信息）可能需要40－45秒。他说：“99%的情况应短于一分钟。但工程师们必须了解的是，获取任务取决于接收器有多少信息。当接收器知道当天时间、当前自身的位置（精度在数千米内），并有一套完整的卫星年历和星历信息时，启动就会很快。”典型情况下，接收器把这些信息存在存储器里，并保持实时时钟，即使在休眠或低功率模式也如此。


某些应用可以受益于那些提供位置等数据的网络辅助信息。GPS接收器在99.99%的时间内将“看见”至少四颗卫星。但是，接收器需要知道它在特定位置或时间能“看见”哪颗卫星。（否则，它必须“搜寻”独特的卫星签名，这可能需要些时间。）Ken Hartman解释说，“网络辅助信息提供卫星星座、时间、位置和年历数据给接收器。然后接收器可以确定寻找哪些卫星。通过收缩搜索准则，接收器就能寻找来自特定卫星的较低信号电平，而如果它没有关于可见卫星位置信息的话，它就无法做到。请记住，网络辅助信息来自遥远的来源，并且提供那个位置的数据。因此，如果你计划适当使用网络辅助信息，就应选择距离你的接收器位置大约100公里以内的来源。”在没有网络辅助信息的情况下，Hartman曾看见某个GPS接收器花了45分钟来获得位置修正。


网络辅助信息来自于蜂窝通信服务提供商以及某些GPS接收器制造商。Hartman说：“我们根据需要来为客户提供这些数据，并向他们解释怎样为接收器提供各自的网络辅助信息。工程师也许会认为，无论信号电平和当地状况如何，网络辅助信息都会让接收器锁定卫星。但接收器总是面临自己的基本信噪比极限，因此在恶劣条件下，即使有网络辅助数据，接收器也可能无法锁定卫星。”


天线决定性能

Magellan公司的Robert Snow表示，“我们的系统测量精度达到厘米。因此我们很重视天线的设计和安放、接地板、低噪声放大器。它们确保我们的设备会完成出色的测量。”因此，工程师们必须确保接收器能获得良好的信号：他们别指望用一根长电缆把接收器连到天线，就能获得好结果。在某些应用中，他们也许需要在天线位置安放一个低噪声放大器，或者在天线设计方面需要帮助。


工程师应使用被动式天线靠近GPS接收器。Snow强调，“在各种情况下，GPS接收器提供的都是其天线的位置，而不是接收器的位置。因此，如果你在船上有GPS接收器，就需要知道天线和船龙骨的关系，这样才能把天线位置与船的实际位置联系起来。”


对同等价格的接收器规格进行比较

在把GPS接收器包含在产品中之前，应仔细检查它的规格，并与其它接收器的规格进行比较。遗憾的是，这些比较通常非常复杂。Novatel公司的Jonathan Auld说，各公司经常采用不同的单位来规定精度。因此，工程师会看到诸如“准确至50厘米CEP”、“准确至50厘米RMS”或“准确至50厘米2DRMS”等规格。你必须知道如何分析和换算这些不同的精度衡量标准。50厘米CEP是指50%的值所处的圆半径，而50厘米2DRMS是指在95%的时间里，精度优于50厘米精度。CEP代表“圆误差概率”，而2DRMS等于水平RMS误差值的两倍。


参考文献
“Indoor GPS,” AN01, Navsync GPS Technologies.

“Network Assistance,” AN02, Navsync GPS Technologies.

“GPS Position Accuracy Measures,” APN-029 (Rev 1), Novatel, 2003.

Trimble’s planning software, a stand-alone software tool helps analyze visibility of GPS, GLONASS, IGSO and geostationary satellites. (Download.)

Van Diggelen, Frank, “GPS Accuracy: Lies, Damn Lies, and Statistics,” GPS World, 2007.

Wormley, Samuel J., “GPS Errors & Estimating Your Receiver’s Accuracy.”


CAPTIONS:
图1. Trimble公司的Copernicus GPS接收器提供12信道广域增强系统(WAAS)GPS接收器。该接收器能从地面站获取WAAS信息，来提高位置精度。

图2. Navsync公司的CW25-TIM GPS接收器提供位置信息和精确的计时信息。它的基带处理器搜索低信号强度的GPS信号，并且接收器在最初获取了卫星位置之后，会采取位置锁定，来优化GPS计时精度。

图3. Novatel公司各种GPS接收器“引擎”，使工程师能平衡各自产品的精度和成本。有几个型号可以接收和处理来自俄罗斯GLONASS卫星的信息。

图4. 在船上会看到Aquarius导航系统，它能执行航海勘测、水道疏浚、电缆铺设，以及厘米级精度的任务。

图5. 这种手持装置是Magellan Professional公司Promart3 RTK勘测系统的一部分。外部天线接收GPS信号，而该装置内的软件提供勘测信息.