淺談基于GPS與AGPS的雙重定位

劉虹江　馮強(qiáng)　項(xiàng)博

摘要：由于當(dāng)前世界LBS（基于位置服務(wù)）的長(zhǎng)足發(fā)展和Android手機(jī)用戶的日益增加，為使手機(jī)的定位功能更加全面，LBS作為手機(jī)用戶的一項(xiàng)增值業(yè)務(wù)，需要把GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）技術(shù)和AGPS（輔助全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。該文通過(guò)分析當(dāng)前GPS技術(shù)和AGPS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和不足，以及所造成的對(duì)整個(gè)定位系統(tǒng)的影響。在這兩種技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上去實(shí)現(xiàn)一個(gè)全新的Android智能手機(jī)定位系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)下，既保留著GPS定位系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，又通過(guò)與AGPS技術(shù)的結(jié)合，解決了GPS技術(shù)的缺陷。該文提出的GPS技術(shù)和AGPS技術(shù)相結(jié)合對(duì)整個(gè)定位系統(tǒng)都有很好的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：LBS（基于位置服務(wù)）；GPS；AGPS

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）07-1579-03

隨著21世紀(jì)3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來(lái)，以Android操作系統(tǒng)為主的智能手機(jī)也逐漸成為人們的首選。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年Android移動(dòng)操作系統(tǒng)的全球市場(chǎng)占有率已達(dá)到75%，Android智能手機(jī)在中國(guó)市場(chǎng)的占有率達(dá)到了86%，而且還呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)，隨著智能手機(jī)的普及，人們對(duì)手機(jī)功能的要求也隨之提高，而LBS（基于位置服務(wù)）成為一門越來(lái)越熱的技術(shù)。把LBS（基于位置服務(wù)）技術(shù)應(yīng)用到Android智能手機(jī)上，使智能手機(jī)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的定位，導(dǎo)航操作，為用戶提供一種增值業(yè)務(wù)。為滿足人們對(duì)基于位置服務(wù)的需求，我們必須要讓用戶能夠切身感受到這種技術(shù)帶來(lái)的方便，為更好的完善LBS技術(shù)，我們既要用GPS來(lái)定位導(dǎo)航，還需要把GPS技術(shù)與AGPS技術(shù)結(jié)合起來(lái)，來(lái)達(dá)到LBS技術(shù)的優(yōu)化。

1 LBS（基于位置服務(wù)）與GPS和AGPS

基于位置服務(wù)是移動(dòng)設(shè)備通過(guò)鏈接網(wǎng)絡(luò)與GPS技術(shù)結(jié)合來(lái)定位移動(dòng)設(shè)備所在位置，以及所在位置的一些服務(wù)信息。GPS技術(shù)的基本原理是測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。在基于位置服務(wù)技術(shù)中，GPS技術(shù)以其高精度得到廣泛的關(guān)注[1]。但是它的兩個(gè)缺點(diǎn)也非常的明顯，一是它的初始化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，這會(huì)使LBS技術(shù)的應(yīng)用受到很大限制，二是它的信號(hào)穿透力太弱，很容易受到一些建筑物或者植被的干擾，影響其精確度。AGPS技術(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的輔助，成功的解決了GPS技術(shù)初始化時(shí)間長(zhǎng)和信號(hào)穿透力弱的缺點(diǎn)。AGPS技術(shù)是結(jié)合了GPSJ技術(shù)和蜂窩基站（GSM網(wǎng)絡(luò)通信是通過(guò)某一個(gè)蜂窩基站接入到GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸）的定位優(yōu)勢(shì)，借助蜂窩網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸來(lái)達(dá)到高精度和快速的定位。這樣把GPS和AGPS技術(shù)融入到LBS技術(shù)中，能夠使LBS技術(shù)更加完善。

1.1 GPS技術(shù)性能分析

眾所周知，傳統(tǒng)的GPS技術(shù)因?yàn)檫^(guò)于依賴終端（手機(jī)，PC等）的性能，這使它的定位精度受到不同終端，不同性能的制約，所以當(dāng)衛(wèi)星的掃描，捕獲及信號(hào)接收等操作都集中到一個(gè)終端時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響到定位的靈敏度和精確度，而且還會(huì)造成終端的大量耗電。為解決這些缺陷，因此使用了CDMA技術(shù)，把一些最復(fù)雜繁重的操作從終端轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)中的定位服務(wù)器完成，這樣一來(lái)，不僅大大提高了定位的精確度，靈敏度等，同時(shí)，也減少了終端所需的操作，減少耗電。

CDMA定位系統(tǒng)組合了GPS衛(wèi)星信號(hào)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，這樣可以更快捷的進(jìn)行定位操作[2]。由于CDMA定位系統(tǒng)的靈敏度要比傳統(tǒng)的GPS定位高出20dB，這使它可以在有建筑群的環(huán)境下正常的進(jìn)行定位操作。

1.2 AGPS技術(shù)性能分析

AGPS定位系統(tǒng)必需要有蜂窩網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和AGPS位置服務(wù)器的支持，因此一些普通的用戶要交付一定的數(shù)據(jù)流量費(fèi)。與此同時(shí)，它和傳統(tǒng)的GPS定位系統(tǒng)一樣，存在著不能完美解決在室內(nèi)進(jìn)行定位的缺陷。

但與傳統(tǒng)的GPS定位系統(tǒng)相比，AGPS技術(shù)在終端首次搜索衛(wèi)星不僅速度比較快，而且大大減少了終端的電量消耗。當(dāng)然，最關(guān)鍵的是它對(duì)移動(dòng)設(shè)備的性能要求比較低，這樣一來(lái)，可以讓更多的不同性能的移動(dòng)設(shè)備使用者利用AGPS技術(shù)進(jìn)行高效的，精確地定位。

2 GPS與AGPS協(xié)同合作定位，導(dǎo)出更加精確的位置

使用GPS和AGPS共同定位的思想是基于兩者的優(yōu)缺點(diǎn)而得到的，單獨(dú)的使用GPS和AGPS都有弊端，如果將這兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合起來(lái)的話，就能得到更精確的位置結(jié)果，對(duì)于快速精確定位問(wèn)題的解決將是一項(xiàng)重大的突破，二者的完美結(jié)合絕對(duì)會(huì)掀起一次大的浪潮。

2.1單獨(dú)使用GPS和AGPS的缺點(diǎn)

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。要達(dá)到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過(guò)記錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)間，再將其乘以光速得到：當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼（簡(jiǎn)稱偽碼）發(fā)射導(dǎo)航電文。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號(hào)中解調(diào)制出來(lái)，以50b/s調(diào)制在載頻上發(fā)射的[2]。

由此可見(jiàn)GPS導(dǎo)航的定位是不斷的發(fā)射導(dǎo)航電文來(lái)實(shí)現(xiàn)定位的。但是用戶的接收機(jī)不可能和衛(wèi)星的星載時(shí)鐘是同步的，除了要用到三顆衛(wèi)星來(lái)計(jì)算X，Y，Z三維空間坐標(biāo)以外，還需要用到一個(gè)輔助衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)差Δt的補(bǔ)救，這樣的話一次定位就至少需要四科衛(wèi)星的協(xié)同支持，GPS的一次導(dǎo)航時(shí)間就可想而知了，需要用到的時(shí)間很多，至少需要2-3分鐘，而且據(jù)專家表示這樣長(zhǎng)的時(shí)間是能夠影響到定位的準(zhǔn)確程度的，這就是GPS的單獨(dú)定位的一個(gè)很大的弊端。再一個(gè)缺點(diǎn)GPS定位的位置需要在可看見(jiàn)人造衛(wèi)星或軌道所經(jīng)過(guò)的地方[3]。在都會(huì)區(qū)中的使用者經(jīng)常在"都會(huì)峽谷（urban canyons）"中，在濃密的樹(shù)下或是室內(nèi)。這樣就加大了定位的難度，所需要用到的時(shí)間就會(huì)更多，在用戶機(jī)上就會(huì)一直反復(fù)的刷新定位中，卻得不到自己想要的結(jié)果。

而AGPS是輔助全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)， 是使用協(xié)助服務(wù)的技術(shù)，用來(lái)減少定位所需的時(shí)間。就是在一個(gè)區(qū)域內(nèi)輔助通過(guò)基站和GPS共同的定位，從而得到更加快速和精確的位置。當(dāng)然AGPS雖然是在GPS的優(yōu)點(diǎn)上產(chǎn)生出來(lái)的技術(shù)但還是有一定的弊端。第一，必須有蜂窩網(wǎng)絡(luò)（GPRS/EDGE/CDMA等）的支持用以數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)一般用戶而言可能需要為此支付一定的數(shù)據(jù)流量。通常的地圖下載，這樣的數(shù)據(jù)流量一般不會(huì)在少數(shù)。而且它還有一個(gè)很重要的問(wèn)題，現(xiàn)在的AGPS技術(shù)大多都是純軟件方案，它不像GPS那樣在移動(dòng)設(shè)備端還有一個(gè)接收器這樣的硬件，所以它在定位的時(shí)候，必須要去下載所能夠使用衛(wèi)星的星歷，這樣勢(shì)必就增加了用戶的數(shù)據(jù)流量。第二，必須有AGPS位置服務(wù)器的支持，也就說(shuō)在硬件上它比GPS還多了一個(gè)位置服務(wù)器，實(shí)際上就是基站。第三，它也無(wú)法單獨(dú)的解決“都會(huì)峽谷”所帶來(lái)的問(wèn)題。

2.2 GPS與AGPS結(jié)合導(dǎo)航共同用于定位

我所想的是如果將二者技術(shù)優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)GPS和AGPS的雙重定位，那么將會(huì)更快、更加精確的導(dǎo)出用戶所申請(qǐng)的位置信息。GPS的優(yōu)點(diǎn)在于它有相應(yīng)的外在條件可以支持，工作的衛(wèi)星的環(huán)境已經(jīng)搭建好了，一直在天上待用，用戶只需要像衛(wèi)星發(fā)出申請(qǐng)就可以了，而且現(xiàn)在移動(dòng)設(shè)備上大多數(shù)都已經(jīng)裝有GPS接收器這樣的硬件，這種硬件條件是不可多得的[4]。AGPS的優(yōu)點(diǎn)在于能夠快速精確定位，它的首次獲得響應(yīng)位置的信息只需要幾秒鐘的時(shí)間，比GPS快了幾十倍，而且在受遮蓋的室內(nèi)或者樹(shù)蔭下也能夠借助基站信號(hào)來(lái)彌補(bǔ)，能夠在一定的程度上解決“都會(huì)峽谷“的問(wèn)題。所以如果將二者有機(jī)的結(jié)合起來(lái)所得到優(yōu)勢(shì)將會(huì)產(chǎn)生新的技術(shù)革新。

當(dāng)然二者如何結(jié)合起來(lái)是我們所要考慮的核心問(wèn)題，而且二者所導(dǎo)出的定位數(shù)據(jù)是有誤差的，那么如何選擇數(shù)據(jù)，減少這個(gè)誤差也將會(huì)是這項(xiàng)技術(shù)的核心。

我所想的是設(shè)計(jì)一款既能接收GPS信息也能接收基站的信息的共同硬件，還有軟件方案GPS和AGPS也應(yīng)該有相同的機(jī)制。將硬件置于移動(dòng)設(shè)備中，然后軟件的機(jī)制我們可以設(shè)定兩種地點(diǎn)方案供用戶選擇：城市和非城市。這樣一來(lái)，當(dāng)用戶進(jìn)行定位導(dǎo)航時(shí)，軟件同時(shí)打開(kāi)GPS和AGPS進(jìn)行雙重定位，如果是在非城市地區(qū)，比如，野外，山區(qū)，草原等。那么在這些地區(qū)由于缺少基站GPS的反應(yīng)時(shí)間和定位的精確肯定要優(yōu)于AGPS，這時(shí)我們所設(shè)計(jì)的方案就是以GPS為主，AGPS為輔。但是在城市中，“都會(huì)峽谷“縱橫交錯(cuò)，人們所使用設(shè)備大部分都是在室內(nèi)或者樹(shù)蔭下，衛(wèi)星的定位就會(huì)有缺陷，那么此時(shí)AGPS就會(huì)發(fā)揮它的作用，可以快速精確的定位，這時(shí)我們就以AGPS為主，GPS為輔。

那么二者同時(shí)進(jìn)行導(dǎo)航時(shí)，不可能不存在誤差，這時(shí)就會(huì)有一個(gè)問(wèn)題，產(chǎn)生的這兩組數(shù)據(jù)如何處理？最終反饋給用戶的是一組最精確的數(shù)據(jù)，達(dá)到用戶此次定位的目的。我們所研究給出了兩種解決方案，第一種解決方案是：將得到的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行取平均值的方法，這樣是最簡(jiǎn)單的也是最好處理的方法。計(jì)算公式為[5]：

（Xmax+Xmin）/2，（Ymax+Ymin）/2，（Zmax+Zmin）/2。

第二種解決方案是：是運(yùn)用概率數(shù)學(xué)中的極差，在統(tǒng)計(jì)中常用極差來(lái)刻畫一組數(shù)據(jù)的離散程度，以及反映的是變量分布的變異范圍和離散幅度，在總體中任何兩個(gè)單位的標(biāo)準(zhǔn)值之差都不能超過(guò)極差。同時(shí)，它能體現(xiàn)一組數(shù)據(jù)波動(dòng)的范圍。極差越大，離散程度越大，反之，離散程度越小。這樣一來(lái)，我們需要在一次定位中，多次測(cè)量至少兩次數(shù)據(jù)，將兩次數(shù)據(jù)分為兩組，求取每組數(shù)據(jù)的極差，這樣一來(lái)，極差小的則為比較精確的數(shù)據(jù)，我們就將這組數(shù)據(jù)反饋給用戶，即這組數(shù)就是用戶這一次提出定位請(qǐng)求所得到的數(shù)據(jù)。計(jì)算公式如下：

極差=最大值-最小值。

全距=最大標(biāo)志值-最小標(biāo)志值。 R=Xmax-Xmin。

其中R代表的是極差的縮寫。

3 總結(jié)

通過(guò)分析GPS和AGPS單獨(dú)應(yīng)用于LBS（基于位置的服務(wù)），提出了在此基礎(chǔ)上的二者結(jié)合用于導(dǎo)航技術(shù)，運(yùn)用硬件技術(shù)制作出可以同時(shí)接收GPS和AGPS訊號(hào)的芯片，再通過(guò)軟件算法解決數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)的問(wèn)題，這項(xiàng)技術(shù)如果應(yīng)用于LBS服務(wù)，那么將會(huì)得到更好的，更加精確的服務(wù)，對(duì)這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)空白也將起到填補(bǔ)的作用?，F(xiàn)在SFIR公司已經(jīng)生產(chǎn)出了這樣類似的硬件，只要我們將這項(xiàng)技術(shù)不斷的更新，那么未來(lái)的LBS服務(wù)市場(chǎng)將會(huì)更加升溫。

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