長沙民政職業技術學院2014屆畢業實踐報告系別：電子信息工程學院專業：應用電子技術201目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 3一、前言 3二、GPS的定義 42.1GPS的基本定義 42.2GPS在手機中的定義 5三、手機中GPS定位基本原理 53.1GPS原理 53.2單點定位方法 63.3GPS手機基本原理 7四、手機中GPS的組成模塊 74.1芯片模塊 74.2手機軟件 7五、GPS導航手機的發展前景 7六、結語 7參考文獻 7謝詞 7淺析應用于手機中的GPS系統【摘要】GPS即全球定位系統(GlobalPositioningSystem),是隨著現代科學技術的發展而建立起來的衛星導航定位系統。目前,GPS衛星定位技術正廣泛應用于測繪、交通、物流等多個領域。尤其是近兩年,GPS迅速應用到了手機行業中。本文分析了GPS在手機中可實現的功能,以及GPS技術如何與手機融為一體。手機的功能越來越多了，這些功能正在逐漸地改變著我們的生活。手機上的音樂視頻播放、拍照，這些功能早已被大家說熟悉。而手機上的GPS定位的功能也成為大家日常使用最多的功能之一。GPS即全球定位系統（GlobalPositioningSystem），簡單地說，這是一個由覆蓋全球的24顆衛星組成的衛星系統。這個系統可以保證在任意時刻，地球上任意一點都可以同時觀測到4顆衛星，以保證衛星可以采集到該觀測點的經緯度和高度，以便實現導航、定位、授時等功能。【關鍵字】GPS、全球定位系統、手機、導航軟件一、前言隨著科技的迅猛發展,我們對我們的生活中的工具要求越來越高.通訊工具手機更新的也是相當的快,那么手機中的功能也是讓我們更具新鮮感,其中手機中的全球定位系統更是為我們帶了更多的方便.提到GPS，很多朋友想到的就是定位和導航功能，但隨著智能系統API接口的開放，我們在手機上使用到的基于GPS的應用越來越多，這些新奇的基于GPS應用讓大家眼前一亮。LBS全稱為LocationBasedServices,也就是基于地理位置的服務。這樣的服務目前在手機中非常地流行。比如目前很多年輕人喜歡的簽到應用。到達一個地點，通過GPS定位，就可以在該地點定位簽到，記錄自己的心情，諸如街旁、開開、微領地都屬于這樣的應用。此外，傳統的網絡社交及IM軟件也將GPS功能與軟件功能完美結合。最近非常流行的微信、米聊以及QQ都加入了查找附近好友的功能。在開啟了這項功能打開手機的GPS后，你就可以找到同樣打開該服務的用戶，并與其進行聊天，結識更多新的朋友。最新版的新浪微博客戶端也加入了這項功能。我們在開車的時候需要進行導航，現在的一些運動類應用也通過手機的GPS來記錄我們運動的軌跡。在開啟手機的GPS并定位成功后，我們可以選擇自己運動的類型，步行、跑步、騎車等活動類型，隨后，手機就會記錄你的運動軌跡，通過你的身高體重信息還可以計算出你消耗的熱量。這樣在運動的時候，你的手機也能夠利用GPS發揮出它的作用了。利用GPS也能夠給我們的生活帶來一種全新的體驗。大家目前使用最多的就是通過定位來了解附近的吃飯、娛樂、購物場所。比如我們通過大眾點評的手機客戶端，就可以很快知道自己所在地的各種飲食以及休閑娛樂或者購物場所。此外，一些團購網站也充分利用了手機定位的特點，能夠告訴您所在位置目前正在進行優惠團購的商家。有了這樣的功能，將給我們的生活帶來極大的便利。社交、生活、消費與手機上GPS的結合，讓原本功能單一的GPS定位實現了更豐富、更人性化、更不可思議的用途。大家也不妨在自己的手機中安裝幾款適合您的應用，體驗一下智能手機給我們帶來的改變。二、GPS的定義2.1GPS的基本定義GPS即全球定位系統(GlobalPositioningSystem),對于全球定位系統,隨著進幾年的發展,已經慢慢的滲入到我們沒個人的生活中了.GPS最初是美國國防部批準的陸海空三軍聯合研制的衛星導航系統,該系統是以衛星為基礎的無線電導航定位系統,具有全能性、全球性、全天候、連續性和實時性的導航、定位和定時的功能。20世紀90年代以來,GPS在我國的應用已經從少數科研單位和軍用部門迅速擴展到各個民用領域。尤其在近幾年,GPS在車輛上的應用比較廣泛,因而手持GPS接收機得到越來越多人的使用。目前,雖然人們開始意識到GPS可以為生活帶來很多便利,但是絕大多數用戶還僅僅停留在GPS的導航、指路功能,而定位監控、緊急救助、搜索設施等功能卻被忽略。GPS精準的定位、查詢功能可以實現隨時隨地為人們提供服務。目前國內廣泛應用的車載GPS只能在汽車上使用,無法最大限度地發揮GPS的“空間優勢”。GPS需要一個盡情釋放、發揮的平臺。手機的移動性、便攜性和普及性無疑給GPS一個全新的發展空間。2.2GPS在手機中的定義現在市面上的導航手機還分為兩類，一類是真正的通過太空中的衛星進行GPS導航，誤差3-5米，如天將軍導航手機等，另一類是通過基站和網絡進行粗略的導航的，稱為A-GPS，這種導航沒有真正的通過衛星GPS導航的精確，一般定位誤差為100米，如諾基亞5233手機等。對于手機行業來說,在成功整合了MP3音樂播放器、數碼相機及PDA功能后,GPS導航與手機的結合也成為另一種新趨勢。中國的兩大移動通信運營商已經推出了手機定位業務。手機定位基于手機的移動基站,受環境影響大,定位精確度不高,沒有手機信號的地方更是無法實現定位。GPS手機是指在智能手機中安裝電子地圖,通過在手機中內建GPS模塊或者外接藍牙GPS模塊來接收衛星信號進行高精度定位,可以繞過移動通信運營商,不需要增加運營成本,用戶也無需負擔額外的服務費用,并可以實時地找到所需的最佳方位。另外,GPS手機排除了衛星鐘及大氣干擾等因素,其定位的精度能保證在幾米至幾十米。三、手機中GPS定位基本原理3.1GPS原理全球定位系統(GPS)是上世紀70年代由美國陸海空三軍聯合研制的新一代空間衛星導航定位系統。其主要目的是為陸、海、空三大領域提供實時、全天候和全球性的導航服務，并用于情報收集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的，是美國獨霸全球戰略的重要組成。經過20余年的研究實驗，耗資300億美元，到1994年3月，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛星星座己布設完成。全球定位系統由三部分構成：(1)地面控制部分，由主控站(負責管理、協調整個地面控制系統的工作)、地面天線(在主控站的控制下，向衛星注入尋電文)、監測站(數據自動收集中心)和通訊輔助系統(數據傳輸)組成；(2)空間部分，由24顆衛星組成，分布在6個道平面上；(3)用戶裝置部分，主要由GPS接收機和衛星天線組成。全球定位系統的主要優點：(1)全天候；(2)全球覆蓋；(3)三維定速定時高精度；(4)快速省時高效率：(5)應用廣泛多功能。全球定位系統的主要缺點：但在視野不開闊如大樹底下或房間及地下停車場內，找不到空間足夠數量的定位衛星，不能定位。3.2單點定位方法GPS手機定位功能通過GPS定位技術中的單點動態定位方法來實現。在定位過程中,接收機天線處于運動狀態。這種運動狀態也是相對的,通常是指待定點的位置,相對其周圍的點位發生顯著的變化,或針對所研究的問題和事物來說,其狀態在觀測期內不能認為是靜止的可以忽略。單點動態定位是用安設在一個運動載體上的GPS信號接收機,自主地測得該運動載體的實時位置,從而描繪出該運動載體的運行軌跡。所以單點定位又叫絕對動態定位。單點動態定位的基本方程為:ρ′j=[(Xj-Xu)2+(Yj-Yu)2+(Zj-Zu)2]1/2+d(1)式中,Xu,Yu,Zu為動態用戶在tk時刻的瞬時位置;Xj、Yj、Zj是第j顆GPS衛星在其運行軌道上的瞬時位置,它可以根據廣播星歷計算;ρ′j為碼接收機所測得的GPS信號接收機天線和第j顆GPS衛星之間的距離,即站星距離;d是由于接收機時鐘誤差等因素所引起的站星距離偏差。利用公式(1)解算用戶位置時,不是直接求它的三維坐標,而是求各個坐標分量的修正量,即給定用戶三維坐標的初始值(Xu0,Yu0,Zu0),而求解三維坐標的改正值(ΔXu,ΔYu,ΔZu)和距離偏差d。對公式(1)中Xu,Yu,Zu分別微分,便得到線性方程X=A-1B(2)式中。矩陣如圖：3.3GPS手機基本原理GPS手機首先將本身的基站地址信息通過網絡傳輸到定位服務器；定位服務器根據該手機的大概位置傳輸與該位置相關的GPS輔助信息（包含GPS的星歷和方位俯仰角等）到手機；該手機的GPS模塊根據輔助信息（以提升GPS信號的第一鎖定時間TTFF能力）接收GPS原始信號；手機在接收到GPS原始信號后解調信號，計算手機到衛星的偽距（偽距為受各種GPS誤差影響的距離），并將有關信息通過網絡傳輸到定位服務器;定位服務器根據傳來的GPS偽距信息和來自其他定位設備（如差分GPS基準站等）的輔助信息完成對GPS信息的處理，并估算該手機的位置；定位服務器將該手機的位置通過網絡傳輸到定位網關或應用平臺（如手機上的GPS應用程序）。四、手機中GPS的組成模塊4.1芯片模塊GPS手機硬件的重要組成部分是GPS芯片,GPS芯片是衡量GPS手機性能的重要標準。GPS芯片內置于GPS手機當中。GPS芯片的接收靈敏度越高,搜星速度越快,功耗越低,使用就會越方便、越廣泛。2005年7月,西安華迅公司推出了國內第一塊GPS芯片,2006年中國科學院微電子研究所也成功開發出了兩款GPS基帶soc芯片。但國內企業、研究機構的GPS芯片在性能上與國外產品有很大差距,現有的芯片市場基本上還是國外幾大廠商占據,這其中影響較大的有SIRF、Garmin、u-blox、摩托羅拉、索尼、富士通、nxp、nemerix、unav等廠商。目前大多數的GPS手機使用的都是SIRFStarⅢ系列芯片。SIRF公司的芯片由一塊射頻集成電路、一塊數字信號處理電路和標準嵌入式GPS軟件構成。射頻集成電路用于檢測和處理GPS射頻信號,數字信號處理電路用于處理中頻信號,標準嵌入式GPS軟件用于搜索和跟蹤GPS衛星信號,并根據這些信號求解用戶坐標和速度。這種芯片具有快速接收信號的能力和對信號進行高效處理的能力,無論在野外還是城市都不會失信號。如果我們處于峽谷環境內,除了那些直接從衛星發射過來的信號,SIRFStarⅢ還會接收到很多從其他堅硬的表面(比如懸崖高樓)反射的信號,也就是通信中常說的多徑衰落。事實上GPS是通過計算衛星信號到達接收器所用的時間來確定用戶所在的位置,所以那些反射信號就成為難以擺脫的干擾源。也就是我們用GPS進行測量中提到的多路徑效應。不過SIRFStarⅢ具備強大的數字處理能力,它能夠通過眾多的whatifs算法剔除掉無用的干擾,并且把那些被其他GPS產品所忽略的較弱的有用信號篩選出來。另外,SIRFStarⅢ具備非常快的收集信號的速度,當GPS掉線以后它也能夠快速重新定位。GPS手機芯片工作過程為:GPS手機開機后首先對整個接收機工作狀況進行自測,并測定、校正、存儲各通道的時延值。然后對衛星進行搜索,捕捉衛星信號。其次根據機內存儲的衛星歷書和測站位置,計算所有在軌衛星升降時間、方位和高度角。再次根據預先設置的航路電坐標和單點定位測站位置計算導航的參數、航偏距、航偏角、航行速度等。最后接收用戶輸入信號。4.2手機軟件對于一部GPS手機來說,除了有性能良好的芯片外,還要有一款實用的GPS手機軟件。一般的GPS手機軟件都具有定位、導航、三維模式及夜間模式切換、路徑導航、功能設置以及周邊設施查詢等功能。(1)定位功能。GPS設備最基本的功能就是讓使用者知道自己當前的具體位置。對一部GPS手機來說,定位功能的好壞,可以通過平均尋星時間、最多衛星數、誤差等參數來衡量。其中平均尋星時間是將手機放在固定位置,從軟件運行到準確定位時間為準。連接GPS衛星數是將GPS手機在無云遮擋的晴天里,找到一個開闊地,觀察通過軟件得到的衛星數量。誤差指數則是軟件中顯示的建筑物名稱和道路的誤差。對現在所廣泛應用的GPS手機軟件來說,大多數軟件的定位速度都較快,并且能準確地定位到使用者的位置。(2)導航畫面。導航畫面是用戶在使用過程中接觸最多的。通過這個界面,用戶能察看到詳細的地圖資料,包括公路、立交橋、街道及周邊的設施,還可以在這里查看到方向、地圖比例等。一般比較好的GPS手機軟件都能夠使用戶輕松地通過導航界面的地圖來選擇線路以及查找周邊的設施。(3)三維模式。導航系統里所謂的三維模式并不是真正的三維,而是人們俗稱的215維,相對平面畫面增加了立體感,與人的直觀視覺更接近,增加了對距離的判斷,但它會造成一定程度的視覺誤差,讓用戶對地圖的操作比較困難。(4)路徑導航。路徑導航是非常有實用意義的功能,尤其在用戶到達一個陌生城市的時候,它能夠發揮很大的作用。通過定位功能,確定當前位置,在輸入目的地后,導航系統就能設計出一條合理的線路,在哪個路口轉彎,立交橋上怎么行使,導航系統都會通過地圖上預先制定出的路徑和語音方式給用戶提示。(5)功能設置。導航系統的功能繁多,主要包括路徑規劃、系統設置、輔助功能、周邊設施查詢等。對這些功能的合理設置能讓導航系統更好地為用戶服務。而且考慮到用戶經常會在等待紅綠燈或者堵車的間歇來使用和調整這些功能或設置,因此功能菜單的設置也會成為我們考察的對象,主要是看各個導航系統的功能是否全面,各項設置是否便捷等。總的來說,每個軟件的功能設置都差不多,但是在操作方式上都各有特色,而且操作都很簡單。(6)周邊設施查詢。這個功能是所有導航系統都很重視的一個方面。所有軟件的分類查詢都很詳細,用戶可以在很短的時間內找到自己需要的設施,并設置為目的地,導航系統將帶用戶前往。五、GPS導航手機的發展前景今年以來，具有定位和導航功能的手機正日益受到消費者的追捧，市場前景看好。根據市場研究機構Isuppli的最新預測，2006年至2011年，在全球范圍內具備GPS定位功能的手機出貨量將翻兩番，由2006年的1.096億部增長到2011年的4.44億部。他們還預測，到2011年，具備定位導航功能的手機在全部出貨手機中所占比例將由2006年的11.1%增加到29.6%。目前GPS導航手機市場占有率約為2.3%，隨著3G的發展，到2011年GPS手機的市場占有率將達到20%。隨著GPS功能向智能手機的滲透，國內將成為一個最大的GPS手機市場。我國市場上也已經有許多設計獨特的產品推出，如天將軍T60導航手機等。有分析人士認為，2010年是我國GPS手機的元年，GPS手機已經不僅適應車載導航用戶，也能適應步行者以及人們日常公交的換乘用戶使用，未來的GPS手機功能將涵蓋普通百姓更多的需求。在技術上，隨著3G網絡的發展，特別是TD-SCDMA網絡的發展，將為運營商提供基于位置的服務創造更為有利的條件，應用的范圍也將更為廣泛。業內人士認為，目前雖然人們已經感受到了GPS手機的魅力，但是絕大多數用戶對此的認識仍然只是停留在導航、定位、搜索等功能上，實際上在一些諸如監控、緊急救援等突發事件中的應用潛力更大，如老人小孩監控手機、外勤業務人員管理手機[3]、免安裝GSP車載防盜報警跟蹤手機等。未來，GPS手機應用發展將是多元化的，人們將迎來一個GPS手機的新時代。PND是便攜式導航設備的英文簡稱，隨著越來越多的導航軟件供大顯示屏智能手機使用，作為獨立專用設備的PND地位岌岌可危。雖然到目前為止，具有導航功能的手機/智能手機對PND市場增長還不曾產生威脅，但iSuppli相信，隨著iPhone手機使用倍受矚目的TomTom和Navigon的導航軟件，這一情形將會改變。由于電池壽命短、定價策略不明確以及顯示屏小，手機不會威脅PND的導航霸主地位。但隨著智能手機的快速發展，這些問題已經或即將得到解決，從而使手機導航應用所占市場份額不斷增加。移動導航應用原則上擁有四類用戶群，其特點包括:1.越來越多的用戶通過智能手機下載免費的導航地圖軟件。2.低端PND用戶最有可能轉向智能手機導航設備，比如iPhone。這種智能手機能夠在小屏幕上提供類似PND的導航功能，而且可隨時連接。3.不經常使用導航但對轉彎提醒(TbT)電話導航應用比較熟練的用戶，也可能選擇智能手機導航應用而放棄專用導航設備PND，從而充分利用手機的多功能特性。4.對于經常使用導航但比較在意價格的低端PND用戶，PND供應商必須謹慎定位其智能手機產品，確保不會與自己的專用PND產品互相競爭。5.高端PND用戶群能夠透徹理解復雜的導航特性，他們非常享用以駕駛員為中心的高級功能。該用戶群中在意價格的那些用戶可能轉向智能電話，而PND鐵桿用戶則希望連網的PND能夠以較低的服務費提供更多以駕駛員為中心的高級功能。6.與手機用戶群相比，PND擁有者是經常使用導航功能的用戶.7.手機不是專門的導航設備，其設置只適合臨時導航。智能手機對PND制造商產生了巨大的沖擊。智能手機導航的興起不可避免，這是由于很多手機都集成了GPS功能、大尺寸觸屏可用性更好、以及內置連接功能可用于系統升級，因此在一個手機上可以使用多種捆綁業務，從而充分利用均價數據計劃。此外，蘋果公司決定采用Navigon和TomTom提供的導航軟件，更是導致市場需求涌向多功能手機而與專用PND漸行漸遠。就以iPhone的導航軟件為例。自6月份發布新的操作系統以來，蘋果公司已有6個機載及2個離機實時TbT導航軟件供iPhone使用。iPhone用戶最初的反應是鼓勵導航軟件供應商，因為Navigon的導航軟件自發布以來在德國iTune中的銷量居前5名，而TomTom的則迅速沖至AppStore中付費導航軟件的第4名。有意思的是，在推出iPhone導航軟件之后，TomTom仍然認為，PND需求會繼續走旺，iPhone導航應用只代表一次發展的機會而不是對PND的威脅，尤其是從短期來看。TomTom公司現有業務的80%來自PND，但隨著智能手機占有更大的市場，這一數據會隨之改變。iSuppli相信，在iPhone手機導航應用中，離機導航軟件用戶的增長速度將超過機載導航軟件用戶的增長速度，尤其是在2009年和2010年。與較新的機載導航軟件供應商相比，離機導航軟件供應商無疑在智能手機導航應用方面擁有更多經驗。而且，由于與手機運營商關系更好，現有的離機導航軟件用戶將從中得到好處。但由于機載導航軟件能夠提供類似PND的高級功能，且用戶更傾向于一次性付費購買導航軟件，因此隨著時間的推移，機載導航服務將吸引更多用戶。從2004年開始，PND市場的增長速度及流行程度一直超過預期。iSuppli預測2009年將成為PND的分水嶺，因為它們將從生命周期的生長期進入成熟期。iSuppli相信，到2011年，幾乎100%的智能手機將集成GPS功能。更好的微處理器支持、容量更高的內置閃存、更長的電池壽命以及與PND相當的價格，都會促使用戶選擇智能手機導航應用。到2012年，智能手機將成為主要的導航設備，提供與中檔PND相似的特性及功能。到2013年，兩大PND供應商將占有大致相當的PND市場份額。iSuppli預測，在2009年至2013年間，現有的TomTom和GarminPND出貨量將不會有大的變化(假定其使用壽命為3年)。但是，智能手機導航很可能會搶占部分PND市場。PND出貨量的任*的增長，都可能來自亞太地區。該地區過去使用PND的用戶不多，但在不斷增加。估計從2009年到2013年，iPhone手機導航用戶數將從2