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GPS的应用与发展

2/14/2005来源:卫星通信人气:9924

  过去人们对全球卫星定位系统Global Positioning SystemGPS这个名词的印象,往往只出现在一些非常特殊的领域,比如说民航机、远洋船舶的导航系统,甚至军事单位的监控等,与一般人的日常生活并没有太大关系,勉强来说,顶多是一些顶级的轿车配备有汽车卫星导航系统Car Navigation System而已。

何谓GPS

  GPS最早是美国国防部为了军事用途所发展的,现在已慢慢跨入商业用途的范围。它是利用在离地面约两万多公里高轨道上运行的二十四颗人造卫星所发射出来的讯号,以三角测量原理计算出接收者在地球上的位置。由于美国担心GPS被恐怖份子所利用,特地将“选择性可用度Selective AvailabilitySA”加入信不过号,而产生高达一百米的误差;不过美国国防部预计在2005年停止使用SA来干扰,届时GPS的准确度将大幅提升。

  依据美国ITA,Office of Telecommunications的资料显示,近年来全球GPS在各分类产品销售额依序为:

  ■汽车卫星导航系统Car Navigation。

  ■消费性产品Consumer。

  ■位置定位Mapping。

  ■追踪Tracking。

  ■原厂委托代工OEM。

  ■航空Aviation。

  ■航海Marine。

  ■军事Military。

  由这个资料可以看出GPS的应用项目,其中前四大项目与一般大众日常生活有关,占了83.4%,到2003年更高达89.1%。由此可见,GPS的应用与消费大众之关系日益密切,全民GPS时代渐渐来临。

加速来临的因素

  虽然GPS的应用范围与一般民众关系日益密切,但要使GPS平民化,光这样是不够的,其必定要在体积、耗电量以及价位等均能被民众所接受,方可能将GPS推进消费性电子产品的行列。以下仅列出三项能加速全民GPS时代来临的利好因素:

  一芯片小型化技术的日趋成熟。

  由于单芯片系统System On a ChipSOC的趋势,使得GPS芯片组不论在体积缩小以及降低耗电量上都有极大的突破。就在OmniTrack公司宣布成立的几天后,美商瑟孚科技SiRF International向全世界发表了该公司最新发展的半导体架构技术,能够将GPS芯片模块的尺寸缩小到邮票一般大小,同时还提高了准确度。一个多月之后,另一个邮票尺寸大小的GPS接收机GPS Receiver芯片模块由IBM、Leica Geosystems及Sierra Monolithics三家公司共同开发成功,而这种运用IBM的SiGe制程所制造的芯片模块,耗电率只有传统芯片模块的三分之一。由于这些技术使得将GPS功能加入其它产品的可行性大增,如手表、手机、PDA等,因此这类技术进展对GPS平民化的帮助是无用置疑的。

  二人类对生活便利及人身安全的要求日益提高。

  随着科技的进步,人们除了使用钟表来满足对时间精准的要求之外,对所在位置的精确度要求也日益提高。有三个因素会强化人们想要“知道自己身在何处”的想法。

  第一是增进日常生活的便利性。由于交通的便利,人们前往从未去过的地方的机会越来越多。当到达一个陌生的地方时,除了地图之外,最需要了解的莫过于当时所在位置之信息。目前市面上的手持式GPS接收机及汽车卫星导航系统,都是因应这个需求而产生的。

  第二,由于医疗科技的进步,人类平均寿命不断延长,高龄化社会已经发生在大部份的国家。根据联合国的资料显示,发达国家六十岁以上老人占人口的比例,已经高达20%以上。针对为数日渐庞大的银发族,产生了许多新的特殊需求,其中一项最重要的是其个人安全保障,而GPS实时提供所在位置的信息,对于银发族在发生危难时之呼救是绝对必要的。

  第三,在重大灾害发生时,对受困民众所在位置进行快速而准确的定位,是救援成功的重要关键。以这次“911”为例,不论是被困在瓦砾堆或困在其他什么地方的民众,若有GPS协助来争取抢救的第一时间,相信一定能将死伤的人数大为减少。因此全球对GPS之需求绝对是有增无减的。

  三使用移动电话进行紧急呼救时,对发话者位置定位的迫切需求。

  这点是大众预期GPS市场即将快速起飞最重要的驱动因素之一。根据美国官方的统计研究,全美每天通过移动电话打911即国内的119求助者大约十万人左右,而其中有约30%是无法确认来话地点与来话电话号码。有鉴于此,美国联邦通信委员会FCC公布E-911Enhanced-911的法令来解决这个严重问题,允许移动电话运营者采取以修改移动电话网络为主,或是修改移动电话手机为主的两种途径,来符合E-911的要求。

  E-911分为两个阶段执行,在对第二阶段规定的最新修定版本中,要求选择以修改手机来符合E-911要求的移动电话厂商,从去年三月前要开始销售具备GPS功能的手机,十月时要有50%的移动电话用户已使用具备GPS功能的手机,而其准确度之要求为能对67%打911紧急呼救的发话者提供其位置,误差范围为半径五十米,而对95%打911紧急呼救的发话者位置之误差范围为半径一百五十米。

  由于这项法令的制定,亦促使了许多移动电话手机厂商如爱立信、诺基亚等公司都开始发展相关的产品。Forward Concepts公司总裁Mr. Will Strauss表示,这将会是未来GPS的最大应用市场,根据该公司的预测,到2003年全球内建GPS功能的移动电话手机,出货量将高达三千八百万台。如此大量的需求势必会加速GPS在体积、成本、耗电量上的突破,并奠定GPS进入消费性电子产品行列的基础。

产品预览

  平民化之后的GPS产品,将不再以单一功能的型态出现,而会以嵌入式Embedded的方式与其它消费性电子产品结合,形成功能多元化的产品。以下仅举出两个例子,借以一窥未来GPS产品的趋势。   一CASIO Pathfinder PAT1GP-1。

  日本卡西欧Casio公司在发表了全世界第一只内建GPS功能的手表Pathfinder PAT1GP-1,其已经将GPS接收机成功地与电子表整合在一起。输入经度与纬度,在有限的显示屏中已经可以做到位置定位、导航等功能。

  二GARMIN NavTalk。

  此为国际级GPS大厂之一的台湾国际航电股份有限公司GARMIN所发展的一款结合GPS接收机与AMPS系统移动电话的手机,已具备美国FCC对E-911要求的雏型。虽然该手机具有完整的GPS功能以及移动电话通讯功能,但以现今一般移动电话手机的标准而言,该产品的体积5.7cmX18cmX3.4cm、重量三百七十七公克以及耗电量待机时间:GPS功能开启时十二至十四小时,关闭时二十六小时,可谓仍不尽理想,不过相信在技术的不断突破之下,亦将会逐步的改善。

带来的新商机

  OmniTrack公司所要发展的新一代智能型定位回报Intelligent Location-Awareness应用开发平台,将使传统GPS厂商能开发出功能更完整的应用系统,提供给消费大众各种不同的便利服务,为GPS平民化注入一股力量。虽然GPS关键性零组件如GPS芯片组的供应仍掌握在几家国外大厂手上,国内厂商的机会不大,但由GPS所衍生出来的相关产品与服务提供,仍然能够带来十分可观的商机,是一个非常值得投入资金及人力的新领域。因此,国内产业界如何在GPS平民化的趋势中创造新商机,将是一个相当重要的课题,以下仅提出几项建议以供参考:

  ■对移动电话手机厂商而言,务必要将GPS功能纳入未来产品设计之中,否则将无法应对未来的市场需要,错失巨大商机。

  ■3C产品厂商可考虑将GPS与现有产品相结合,使得产品更符合功能多元化的趋势。

  ■对有意进入GPS服务提供业的商家而言,现今我国最迫切需要解决的问题之一,就是电子地图的完整性。GPS所能提供的位置是以经度与纬度表示,必须有电子地图的配合才能发挥功效,而且这方面不像软硬件可以直接由国外引进,完全必须由国内自行制作,因此国内电子地图的开发绝对不可忽视。

  GPS系统是一个由跨部门GPS执行局维系,由国防部指挥的多功能系统。其系统管理任务的执行权归美国空军。具体运作和控制是由科罗拉多州施里弗空军基地的“宇宙之翼50”(空军太空指挥部)第二太空行动中队负责。宇宙及导弹系统中心(空军太空指挥部)的NAVSTAR GPS系统局作为国防部代理,提供GPS卫星,地面系统和大多数用户设备。

 NAVSTAR GPS是一个太空无线定位系统,名义上包括有24个轨道卫星,能为全球的军方人士或日常生活用户提供导航信息或时刻信息。除了卫星之外,系统里还有全球范围的卫星控制网络和GPS接收器,可以接收卫星信号,再把它们译成位置信息。

  GPS卫星一直是在佛罗里达州卡拉维尔角太空中心用Delta II一次性运载火箭发射,发送到约11000海里外的六个圆形轨道上去。

  GPS系统服务功能如下:

  ·24小时,全世界范围的服务

  ·有极为准确的三维定位信息(即提供纬度、经度和海拔高度读数)

  ·有极为准确的测速信息

  ·精确的时刻校正服务

  ·使用世界通用坐标,所在很容易换算成各地自用的坐标

  ·持续提供真实时间信息

  ·在世界范围内使用者数量都不受限制

  ·民用功能的准确度只略微低一些

 GPS卫星系统绕地球轨道运行,每12小时都以两种不同的L-band频率发出持续的导航信号。该信号相当准确,时间误差在千亿分之一秒以内,速度误差在每小时几分之一英里以内,卫星定位可确定在几米的范围内。

 GPS卫星共有四代:I型,II/IIA型,IIR型和IIF型。I型卫星用来检验GPS系统的工作规律。这些I型卫星留下的长处都融入了以后的类型中。而现在的体系则是由II型和IIA型组成。

 IIR型卫星较之以前的类型又有了很大进步。它们已能通过互相之间的距离测量来计算自身的位置。除此之外,可改变程序的卫星处理器使卫星能在飞行过程中自我纠错,自我升级。卫星的独立性和发射质量也得到了提高。另外,只要提前60天做准备,IIR型卫星能够在任何时候被发射到任何指定的GPS轨道。维系系统所需的地面联系也比以前少得多了。这一系列进步产生的结果是,GPS用户得到服务的准确度提高了,并且每个卫星产生的成本价比前一代的IIA型降了33%。当目前的II/IIA型卫星使用寿命到头后,IIR型就会取代它们,并且会用到2003年完。

  IIF型卫星是第四代导航卫星,将被用来作为支持工具。与以前的卫星比起来,IIF型的优势有:使用寿命达到了12.7年,并有了更大的有效负荷空间和任务范围。

  GPS的性能远比其他定位和导航系统要好,它拥有更高的精确度和更低的成本。它制图、空中加油、会合、测量勘察、寻找营救等工作都会在很大程度上受益于GPS的精确度。

  从“沙漠之盾”和“沙漠风暴”行动中得到的经验来看,GPS几乎已渗透到现代战争中的所有方面。空中管制人员、飞行员、坦克兵和地面部队都利用GPS来争取战场上的胜利。

  GPS全球卫星控制系统包括五个监控站和四个地面天线站。监控站使用GPS接收器接收所有卫星的导航信号,从而被动地完成追踪工作。接着科罗拉多州施里弗空军基地的第二太空行动中队会在主控制站处理从监控站得来的信息,并把它们用于精准的卫星导航校正。把导航校正信息发送到GPS卫星的工作是通过地面天线用S-band信号来完成。地面天线还可向卫星传达指令,并能收到有关卫星技术水平的遥测数据。

  为方便GPS使用者,运输部成立了“导航信息服务局”(即以前的“GPS信息服务局”),以此作为和使用者的连接点。美国海岸警卫队负责运作维系,使用者每周七天,每天24小时都可以通过电话与导航信息服务局取得联系。

摘自《通信世界报》