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GPS基础知识、手机GPS功能在户外定位及导航简介:

      1.1GPS 进入生活已经好多年,汽车导航、户外导航,用的不亦乐乎。想当年,用ACAD实现道路数字化,后来又开发GPS/GIS系统,使用的对象都是一些特殊人群,要推广真是难啊,价格也是天价。现在汽车导航的几百至几千都有,手机上近年的都带了GPS模块了,安装相应的软件就可以使用了,带来许多便捷,这里我们还是重点讲讲在户外活动中如何利用GPS来进行前期的线路规划,活动中的导航,定位,以及后期的线路分析和回顾。

    对于没有完备地图的野外,有了GPS就给你带了极大的便利。出发前做足功课,DIY该地的地图,装置了离线地图,可以在没有手机信号的山区照样正常工作。每次外出可以记录包括经纬度,高程和时间的航迹,并且可以提供给下次前去同一地点的同伴做为参考。试想,大家把各条航迹都汇总在一起,组成航迹库,将发挥多大的作用。

      2.2Global Positioning System,全球定位系统,由24颗卫星和它们的地面控制站以及不计其数的GPS接收器(用户终端)组成。这个庞大无比的系统从1973年开始筹建,1989年开始发射卫星上天,直到1994年完成。我们常说的“GPS”其实只是全球定位系统里面最末端的GPS终端而已,只是我们手里拿着的那台小机器,而事实上的“GPS”是一个非常庞大的系统。
  
    GPS的工作原理是这样的:飞在天上的24颗GPS卫星们用无线广播的方式不停的往外发送自己的位置和时间信息, 某台GPS接收器接收到某颗卫星的信号后,会拿自己的时钟信息、卫星的时钟信息和位置信息这些数值去进行复杂的计算。 最后算出来的是GPS和这颗卫星的距离。从理论上说,如果GPS接收到三颗以上的卫星发来的信号,算出GPS相对于这三颗坐标已知的卫星的距离,就可以用简单的三角方程得出GPS在地球表面的X、Y、Z三个坐标值,而得以定位。如果接收到更多的卫星信号,那就可以用其他卫星的信号来对定位数据进行比较,校对,而得出更加精确的坐标值了。所以,一个GPS要精确定位,首先要能够收到足够多足够清晰的卫星信号。根据现有的技术,经过校正的GPS系统定位精度可以很容易的达到毫米。

跟广播电台与收音机的关系完全一样,既然GPS卫星是以广播的方式发送信号,那就是说无论是谁,只要有一台接收机,这GPS卫星信号都可以接收到,都可以使用这个系统,运营GPS系统的公司不直接向用户收费。我们只要买一台GPS,就不需要再向谁缴纳什么月租费,套餐费或者其他的什么费了。当然,人家也不是学雷锋。除了这个系统在生产生活当中直接创造的效益以外,米国人还出售GPS的技术标准,让别人也可以生产和使用GPS设备。对生产GPS设备的厂家收取技术许可费,我们买GPS的时候,其实已经向米国人交钱了。
  
    还是跟广播电台与收音机的关系完全一样,GPS系统是单向的。GPS装置本身完全不具备和卫星通讯的功能,卫星和地面站完全不可能知道GPS接收器在什么地方。所以我们在电影里面看到的用卫星跟踪器实时跟踪坏蛋或者汽车的场面不是真实的,或者说,不是用的GPS系统。目前一台实用的GPS跟踪装置是用GPS接收器加上移动电话卡来实现的,就是说,接收器负责定位,然后把定好的位置信号用短信的方式发送出去。

刚才说GPS定位的精度可以达到毫米级,估计有的看官就急了。为什么自己手里的机子达不到这个精度呢?我在这里要提醒一下大家, GPS系统里面最关键的卫星和地面控制站和全套技术是完完全全Made in米国的,所以,这个游戏的规则是由米国人说了算的。1992年的某一天,米国人突然向全世界使用GPS系统的人说,为了国家安全,我不给你这么精确的信号了。说完,他们就给卫星信号叠加了一种叫S/A码的干扰码。有了这种S/A码的作用,除了米国军方和特许用户,其他同学的GPS定位精度都一下子应声大跌,实际的定位精度只能做到以10米为单位。所以,为了不被米国牵制,也为了自己的国家安全,欧盟搞起了自己的“伽利略”系统,中国搞的叫“北斗”系统,俄罗斯也在开发自己的“GLONASS”系统。

    现在大家都知道GPS是干嘛的了,一句话,GPS就是接收卫星信号,输出GPS所在地的经度、纬度和海拔三个坐标值。在一般人的实际应用当中,GPS往往和电子地图软件一起配合使用。这种软件可以和GPS装置连接,从GPS那里获取坐标值,然后把它标在地图上,使用者一看就可以知道自己具体在什么方位了。离开地图和地图上的地理信息,GPS是不能“导航”的。下面我们再说详细点,这个就涉及到GPS的分类和使用了。

GPS在野外主要用于航迹的记录。记下你曾经去过的地方,记录下你行径的轨迹,供下一次使用参考。另外,你还可以在GPS上输入一些标记点,让你在野外的时候可以大致判断你相对于这些参照点的相对位置。GPS的导航功能,只有在有航迹记录的基础上,在第二次出行时才能发挥出来。原因很简单,户外没有地图,没有地标,没有路径,只有GPS的坐标和参照点的坐标。而点和点之间怎么走没有指导,我们不能从迷路的地方沿直线往小路出发,因为可能遇到悬崖。当然,对玩滑翔伞的除外。

  这就是地图、GPS和导航的关系。真正喜欢玩GPS的驴友,可以好好学习一下怎样自己制作户外地图。Google公司出品的全球卫星地图软件Google Earth(简称GE)是完全免费的软件,上面有视觉分辨率较低的全球地图。不过,虽然看起来精度很低,但是这个电子地图上的每一个点同样包含有地理坐标信息。通过导出这些地理坐标信息和图像并且导入你的GPS,你可以为自己的GPS建立一份要去的地方的地图。由于卫星不可能拍到隐藏在植被下的小路的照片,而且我们国家不允许Google提供高分辨率的照片,所以这种地图在野外同样是不能精确导航的,只能提供地形和地貌信息供驴友参考。驴友们学习怎样制作、校正地图,从某种意义上说,也是非常必要的,这和是否拥有GPS是无关的。我认为学会研究地图是新驴向老驴进军的必经之路。

3.1首先大家要弄清使用GPS时常碰到的一些术语:

1.坐标(coordinate)
  有2维、3维两种坐标表示,当GPS能够收到4颗及以上卫星的信号时,它能计算出本地的3维坐标:经度、纬度、高度,若只能收到3颗卫星的信号,它只能计算出2维坐标:精度和纬度,这时它可能还会显示高度数据,但这数据是无效的。大部分GPS不仅能以经/纬度(Lat/Long)的方式,显示坐标,而且还可以用UTM(Universal Transverse Mercator)等坐标系统显示坐标 但我们一般还是使用LAT/LONG系统,这主要是由你所使用的地图的坐标系统决定的。坐标的精度在Selective Availability(美国防部为减小GPS精确度而实施的一种措施)打开时,GPS的水平精度在100-50米之间,视接受到卫星信号的多少和强弱而定,若根据GPS的指示,说你已经到达,那么四周看看,应该在大约一个足球场大小的面积内发现你的目标的。在SA关闭时(目前是很少见的,但美政府计划将来取消SA),精度能达到15米左右(GPS性能介绍上说的精度都给的是no SA值,唬人的)。高度的精确性由于系统结构的原因,更差些。经纬度的显示方式一般都可以根据自己的爱好选择,一般有"hddd.ddddd","hddd*mm.mmm", "hddd*mm"ss.s"""(其中的“*”代表“度”,以下同)地球子午线长是39940.67公里,纬度改变一度合110.94公里,一分合1.849公里,一秒合30.8米,赤道圈是40075.36公里,北京地区纬在北纬40度左右,纬度圈长为40075*sin(90-40),此地经度一度合85.276公里,一分合1.42公里 一秒合23.69米,你可以选定某个显示方式,并把各位数字改变一对应地面移动多少米记住,这样能在经纬度和实际里程间建立个大概的对应。大部分GPS都有计算两点距离的功能,可给出两个坐标间的精确距离。高度的显示会有英制和公制两种方式,进GPS的SETUP页面,设置成公制,这样在其他象速度、距离等的显示也都会成公制的了。 
   
2.路标(Landmark or Waypoint)
  GPS内存中保存的一个点的坐标值。在有GPS信号时,按一下"MARK"键,就会把当前点记成一个路标,它有个默认的一般是象"LMK04"之类的名字,你可以修改成一个易认的名字(字母用上下箭头输入),还可以给它选定一个图标。路标是GPS数据核心,它是构成“路线”(见3) 的基础。标记路标是GPS主要功能之一,但是你也可以从地图上读出一个地点的坐标,手工或通过计算机接口输入GPS,成为一个路标。一个路标可以将来用于GOTO功能(见5)的目标,也可以选进一条路线(Route,见3.)作为一个支点。一般GPS能记录500个或以上的路标。

3.路线(ROUTE)
  路线是GPS内存中存储的一组数据,包括一个起点和一个终点的坐标,还可以包括若干中间点的坐标,每两个坐标点之间的线段叫一条"腿"(leg)。常见GPS能存储20条线路,每条线路 30条"腿"。各坐标点可以从现有路标中选择,或是手工/计算机输入数值,输入的路点同时做为一个路标(Waypoint/Landmark)保存。实际上一条路线的所有点都是对某个路标的引用,比如你在路标菜单下改变一个路标的名字或坐标,如果某条路线使用了它,你会发现这条线路也发生了同样的变化。可以有一条路线是"活跃"(Activity)的。“活跃”路线的路点是导向(见5)功能的目标。 

4.前进方向(Heading)
  GPS没有指北针的功能,静止不动时它是不知道方向的。但是一旦动了起来,它就能知道自己的运动方向。GPS每隔一秒更新一次当前地点信息,每一点的坐标和上一点的坐标一比较,就可以知道前进的方向,请注意这并不是GPS头指的方向,它老人家是不知道自己的脑袋和运动路线是成多少度角的。不同GPS关于前进方向的算法是不同的,基本上是最近若干秒的前进方向,所以除非你已经走了一段并仍然在走直线,否则前进方向是不准确的,尤其是在拐弯的时候你会看到数值在变个不停。方向的是以多少度显示的,这个度数是手表表盘朝上,12点指向北方,顺时针转的角度。有很多GPS还可以用指向罗盘和标尺的方式来显示这个角度。一般同时还显示前进平均速度,也是根据最近一段的位移和时间计算的。

5.导向(Bearing)导向功能在以下条件下起作用:
  一:以设定"走向"(GOTO)目标。"走向"目标的设定可以按"GOTO"键,然后从列表中选择一个路标。以后"导向"功能将导向此路标。
  二:目前有活跃路线(Activity route)。活跃路线一般在设置->路线菜单下设定。如果目前有活动路线,那么"导向"的点是路线中第一个路点,每到达一个路点后,自动指到下一个路点在"导向"页面上部都会标有当前导向路点名称("ROUTE"里的点也是有名称的)。它是根据当前位置,计算出导向目标对你的方向角,以与"前进方向"相同的角度值显示。同时显示离目标的距离等信息。读出导向方向,按此方向前进即可走到目的地。有些GPS把前进方向和导向功能结合起来,只要用GPS的头指向前进方向,就会有一个指针箭头指向前进方向和目标方向的偏角,跟着这个箭头就能找到目标。
6.日出日落时间(Sun set/raise time)
  大多数GPS能够显示当地的日出、日落时间,这在计划出发/宿营时间时是有用的。这个时间是GPS根据当地经度和日期计算得到的,是指平原地区的日出、日落时间,在山区因为有山脊遮挡,日照时间根据情况要早晚各少半个小时以上。GPS的时间是从卫星信号得到的格林尼制时间,在设置(setup)菜单里可以设置本地的时间偏移,对中国来说,应设+8小时,此值只与时间的显示有关。
7.足迹线 (Plot trail)
  GPS每秒更新一次坐标信息,所以可以记载自己的运动轨迹。一般GPS能记录1024个以上足迹点,在一个专用页面上,以可调比例尺显示移动轨迹。足迹点的采样有自动和定时两种方式 自动采样由GPS自动决定足迹点的采样方式,一般是只记录方向转折点,长距离直线行走时不记点;定时采样可以规定采样时间间隔,比如30秒、一分钟、5分钟或其他时间,每隔这么长时间记一个足迹点。在足迹线页面上可以清楚地看到自己足迹的水平投影。你可以开始记录、停止记录、设置方式或清空足迹线。“足迹”线上的点都没有名字,不能单独引用,查看其坐标,主要用来画路线图(计算机下载路线?)和“回溯”功能。很多GPS有一种叫做“回溯”(Trace back)的功能,使用此功能时,它会把足迹线转化为一条“路线”(ROUTE),路点的选择是由GPS内部程序完成的一般是选用足迹线上大的转折点。同时把此路线激活为活动路线,用户即可按导向功能原路返回。要注意的是回溯功能一般会把回溯路线放进某一默认路线 (比如route0)中,看你GPS的说明书,使用前要先检查此线路是否已有数据,若有,要先用拷贝功能复制到另一条空线路中去,以免覆盖。回溯路线上的各路点用系统默认的临时名字如"T001"之类,有的GPS定第二条回溯路线时会重用这些名字,这时即使你已经把旧的路线做了拷贝,由于路点引用的名字被重用了,所以路线也会改变,不是原来那条回溯路线了。请查看你GPS的使用说明书,并试用以明确你的情况。有必要的话,对于需要长期保存的TraceBack 路线,要拷贝到空闲路线,并重命名所有路点名字。

常见的GPS有几种,第一种是GPS天线+智能手机(掌上电脑)+电子地图,第二种是GPS导航手机,第三种是车载的一体化GPS装置,第四种是专业的户外手持式GPS。

    第一种常见于汽车导航,买一个GPS天线,把位置搞清楚,在智能手机或者掌上电脑里面装上电子地图软件,把GPS天线和手机连接好,打开电子地图,就可以看到上面显示的位置坐标了。GPS天线很便宜,一两百块一个,手机现成的,电子地图正版的七八百块,D版的任拷,这一套东西可以非常好的工作在城市和城际主干道上,带你去你想去的地。
    
    第二种GPS的使用者要注意,手机型GPS往往是“伪”GPS。我们上面说过,GPS要根据卫星信息来计算出自己和卫星的相对距离,而GPS手机往往是不能做这种计算的。它在工作的时候只能把接收到的卫星信息转发给基站,基站拿到数据后算好,再把结果发给手机。换句话说,GPS手机离开基站是不能使用GPS功能的。当然我也不排除有的手机有完整的GPS功能,可以脱离基站使用。要分辨手机是不是伪GPS很容易,把手机切换到“离线模式”,再打开GPS功能,如果还能定位的就是真GPS,如果无法定位的就是伪GPS,使用时要切记离开了手机信号可以到达的地方GPS就不能用了。
    
    第三种GPS往往是品牌货,很多做MP3MP4之类数码产品的厂家都有出品。原理跟第一种是一样的,只是天线电脑和软件是一体的。由于品牌货不会使用盗版的电子地图,所以成本都比较高,便宜的七八百,贵的一两千,屏幕大点的两三千都有。不过这两种GPS往往都使用车载电源,屏幕大,耗电,民用产品,不防水防震,基本上没有办法在户外条件使用。
    
    第四种GPS则比较专业,很多具有防水防震功能。有的可以装地图,有的则没有装地图的功能,铁了心不让你在城里用。目前最有名的就是Garmin(佳明)和合众思壮两个品牌,各有很多不同用途不同价位的型号。 

   质量好的品牌好的GPS有这样一些特点,首先是控制芯片先进,节能。能更快的做计算,算法也更科学,更先进,可以一定程度上提高灵敏度、搜星的效率和定位精度。节能也很重要,现在一般的GPS都可以连续使用十几个小时不用换电池;二是天线设计好,灵敏度高。可以在阴雨天,厚云层,甚至在茂密的林木间使用。差的GPS稍微有点遮挡甚至只是云厚点就会接收不到卫星信号找不着北了;第三是大容量,可以安装一个甚至几个地图软件(一个都要几百兆),可以选当地的地理信息最丰富最清晰的那个地图来导航;第四是屏幕大,彩色,这个好处就不用说了;第五是防水抗摔打,结实可靠。这些功能以外,还有些GPS带对讲机功能,带电子罗盘和气压测量功能,不一而足。