全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS及其在現(xiàn)代交通運(yùn)輸中的應(yīng)用

[摘要：本文系統(tǒng)介紹了GPS的原理和其三大子系統(tǒng)，著重介紹了GPS系統(tǒng)在交通運(yùn)輸中的應(yīng)用，包括在道路工程、汽車導(dǎo)航和交通管理中的應(yīng)用以及其他應(yīng)用] 

一、全球定位系統(tǒng)GPS簡(jiǎn)介 

　　全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS是美軍70年代初在“子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航定位”技術(shù)上發(fā)展而起的具有全球性、全能性（陸地、海洋、航空與航天）、全天候性優(yōu)勢(shì)的導(dǎo)航定位、定時(shí)、測(cè)速系統(tǒng)。GPS由三大子系統(tǒng)構(gòu)成：空間衛(wèi)星系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、用戶接收系統(tǒng)。

空間衛(wèi)星系統(tǒng) 
　　空間衛(wèi)星系統(tǒng)由均勻分布在6個(gè)軌道平面上的24顆高軌道工作衛(wèi)星構(gòu)成，各軌道平面相對(duì)于赤道平面的傾角為55Ο，軌道平面間距60Ο。在每一軌道平面內(nèi)，各衛(wèi)星升交角距差90Ο，任一軌道上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30Ο。事實(shí)上，空間衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)量要超過24顆，以便及時(shí)更換老化或損壞的衛(wèi)星，保障系統(tǒng)正常工作。該衛(wèi)星系統(tǒng)能夠保證在地球的任一地點(diǎn)向使用者提供4顆以上可視衛(wèi)星。

　　空間系統(tǒng)的每顆衛(wèi)星每12小時(shí)（恒星時(shí)）沿近圓形軌道繞地球一周，由星載高精度原子鐘（基頻F=10.23MHZ）控制無線電發(fā)射機(jī)在“低噪音窗口”（無線電窗口中，2至8區(qū)間的頻區(qū)天線噪聲最低的一段是空間遙測(cè)及射電干涉測(cè)量?jī)?yōu)先選用頻段）附近發(fā)射L1、L2兩種載波，向全球的用戶接收系統(tǒng)連續(xù)地播發(fā)GPS導(dǎo)航信號(hào)。GPS工作衛(wèi)星組網(wǎng)保障全球任一時(shí)刻、任一地點(diǎn)都可對(duì)4顆以上的衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)（最多可達(dá)11顆），實(shí)現(xiàn)連續(xù)、實(shí)時(shí)地導(dǎo)航和定位。

　　GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的導(dǎo)航電文是一種不歸零的二進(jìn)制數(shù)據(jù)碼D（t），碼率fd=50HZ。為了節(jié)省衛(wèi)星的電能、增強(qiáng)GPS信號(hào)的抗干擾性、保密性，實(shí)現(xiàn)遙遠(yuǎn)的衛(wèi)星通訊，GPS衛(wèi)星采用偽噪聲碼對(duì)D碼作二級(jí)調(diào)制，即先將D碼調(diào)制成偽噪聲碼（P碼和C/A碼），再將上述兩噪聲碼調(diào)制在L1、L2兩載波上，形成向用戶發(fā)射的GPS射電信號(hào)。因此，GPS信號(hào)包括兩種載波（L1、L2）和兩種偽噪聲碼（P碼、C/A碼）。這四種GPS信號(hào)的頻率皆源于10.23MHZ（星載原子鐘的基頻）的基準(zhǔn)頻率�；鶞�(zhǔn)頻率與各信號(hào)頻率之間存在一定的比例。其中，P碼為精確碼，美國(guó)為了自身的利益，只供美國(guó)軍方、政府機(jī)關(guān)以及得到美國(guó)政府批準(zhǔn)的民用用戶使用，C/A碼為粗碼，其定位和時(shí)間精度均低于P碼，目前，全世界的民用客戶均可不受限制地免費(fèi)使用。

地面監(jiān)控系統(tǒng) 
　　地面監(jiān)控系統(tǒng)由均勻分布在美國(guó)本土和三大洋的美軍基地上的5個(gè)監(jiān)測(cè)站、一個(gè)主控站和三個(gè)注入站構(gòu)成。該系統(tǒng)的功能是：對(duì)空間衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制，并向每顆衛(wèi)星注入更新的導(dǎo)航電文。

　　地面監(jiān)控系統(tǒng)各站的主要任務(wù)是：

監(jiān)測(cè)站 
　　用GPS接收系統(tǒng)測(cè)量每顆衛(wèi)星的偽距和距離差，采集氣象數(shù)據(jù)，并將觀測(cè)數(shù)據(jù)傳送給主控點(diǎn)。5個(gè)監(jiān)控站均為無人守值的數(shù)據(jù)采集中心。

主控站 
　　主控站接收各監(jiān)測(cè)站的GPS衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、各監(jiān)測(cè)站和注入站自身的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。根據(jù)上述各類數(shù)據(jù)，完成以下幾項(xiàng)工作：

·及時(shí)編算每顆衛(wèi)星的導(dǎo)航電文并傳送給注入站。
·控制和協(xié)調(diào)監(jiān)測(cè)站間、注入站間的工作，檢驗(yàn)注入衛(wèi)星的導(dǎo)航電文是否正確以及衛(wèi)星是否將導(dǎo)航電文發(fā)給了GPS用戶系統(tǒng)。
·診斷衛(wèi)星工作狀態(tài)，改變偏離軌道的衛(wèi)星位置及姿態(tài)，調(diào)整備用衛(wèi)星取代失效衛(wèi)星。

注入站 
　　接受主控站送達(dá)的各衛(wèi)星導(dǎo)航電文并將之注入飛越其上空的每顆衛(wèi)星。

用戶接收系統(tǒng) 
　　用戶接收系統(tǒng)主要由以無線電傳感和計(jì)算機(jī)技術(shù)支撐的GPS衛(wèi)星接收機(jī)和GPS數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)成。

GPS接收機(jī) 
　　GPS衛(wèi)星接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是天線單元和接收單元兩部分。天線單元的主要作用是：當(dāng)GPS衛(wèi)星從地平線上升起時(shí)，能捕獲、跟蹤衛(wèi)星，接收放大GPS信號(hào)。接收單元的主要作用是：記錄GPS信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和濾波處理，還原出GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文，解求信號(hào)在站星間的傳播時(shí)間和載波相位差，實(shí)時(shí)地獲得導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)或采用測(cè)后處理的方式，獲得定位、測(cè)速、定時(shí)等數(shù)據(jù)。

　　微處理器是GPS接收機(jī)的核心，承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的管理、控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。視屏監(jiān)控器是接收機(jī)與操作者進(jìn)行人機(jī)交流的部件。

　　目前，國(guó)際上已推出幾十種測(cè)量用GPS接收機(jī)，各廠商的產(chǎn)品朝著實(shí)用、輕便、易于操作、美觀價(jià)廉的方向發(fā)展。

GPS數(shù)據(jù)處理軟件 
　　GPS數(shù)據(jù)處理軟件是GPS用戶系統(tǒng)的重要部分，其主要功能是對(duì)GPS接收機(jī)獲取的衛(wèi)星測(cè)量記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行“粗加工”、“預(yù)處理”，并對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行平差計(jì)算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及分析綜合處理。解得測(cè)站的三維坐標(biāo)，測(cè)體的坐標(biāo)、運(yùn)動(dòng)速度、方向及精確時(shí)刻。

　　GPS定位技術(shù)是正在發(fā)展中的高新技術(shù)，數(shù)據(jù)處理技術(shù)也處在不斷更新之中，各系列GPS接收機(jī)制造廠家研制的處理軟件也各具特色。

GPS定位的基本方法 
　　GPS定位采用空間被動(dòng)式測(cè)量原理，即在測(cè)站上安置GPS用戶接收系統(tǒng)，以各種可能的方式接收GPS衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)送的各類信號(hào)，由計(jì)算機(jī)求解站星關(guān)系和測(cè)站的三維坐標(biāo)。

　　由對(duì)GPS信號(hào)觀測(cè)量的不同，GPS定位的基本方法有以下幾種形式：

　　·偽距測(cè)量
　　·載波相位測(cè)量
　　·多普勒測(cè)量
　　·衛(wèi)星射電干涉測(cè)量

　　為了精密定位，一臺(tái)GPS接收機(jī)往往不是單純采用一種測(cè)量方式，而是以某種方式為主，并輔以其他方法。

　　目前，全球定位系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于軍事和民用等眾多領(lǐng)域中。GPS技術(shù)按待定點(diǎn)的狀態(tài)分為靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位兩大類。靜態(tài)定位是指待定點(diǎn)的位置在觀測(cè)過程中固定不變的，如GPS在大地測(cè)量中的應(yīng)用。動(dòng)態(tài)定位是指待定點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)載體上，在觀測(cè)過程中是變化的，如GPS在船舶導(dǎo)航中的應(yīng)用。靜態(tài)相對(duì)定位的精度一般在幾毫米幾厘米范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)相對(duì)定位的精度一般在幾厘米到幾米范圍內(nèi)。對(duì)GPS信號(hào)的處理從時(shí)間上劃分為實(shí)時(shí)處理及后處理。實(shí)時(shí)處理就是一邊接收衛(wèi)星信號(hào)一邊進(jìn)行計(jì)算，獲得目前所處的位置、速度及時(shí)間等信息；后處理是指把衛(wèi)星信號(hào)記錄在一定的介質(zhì)上，回到室內(nèi)統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。一般來說，靜態(tài)定位用戶多采用后處理，動(dòng)態(tài)定位用戶采用實(shí)時(shí)處理或后處理。 

二、GPS在交通運(yùn)輸中的應(yīng)用 

1、GPS在道路工程中的應(yīng)用

　　GPS在道路工程中的應(yīng)用，目前主要是用于建立各種道路工程控制網(wǎng)及測(cè)定航測(cè)外控點(diǎn)等。隨著高等級(jí)公路的迅速發(fā)展，對(duì)勘測(cè)技術(shù)提出了更高的要求，由于線路長(zhǎng)，已知點(diǎn)少，因此，用常規(guī)測(cè)量手段不僅布網(wǎng)困難，而且難以滿足高精度的要求。目前，

國(guó)內(nèi)已逐步采用GPS技術(shù)建立線路首級(jí)高精度控制網(wǎng)，如滬寧、滬杭高速公路的上海段就是利用GPS建立了首級(jí)控制網(wǎng)，然后用常規(guī)方法布設(shè)導(dǎo)線加密。實(shí)踐證明，在幾十公里范圍內(nèi)的點(diǎn)位誤差只有2cm左右，達(dá)到了常規(guī)方法難以實(shí)現(xiàn)的精度，同時(shí)也大大提前了工期。浙江省測(cè)繪局利用Wild 200 GPS接收機(jī)的快速靜態(tài)定位功能施測(cè)了線路的全部初測(cè)導(dǎo)線，快速、高精度的建立了數(shù)百公里的高速公路控制網(wǎng)，取得了良好的效果。GPS技術(shù)也同樣應(yīng)用于特大橋梁的控制測(cè)量中。由于無需通視，可構(gòu)成較強(qiáng)的網(wǎng)形，提高點(diǎn)位精度，同時(shí)對(duì)檢測(cè)常規(guī)測(cè)量的支點(diǎn)也非常有效。如在江陰長(zhǎng)江大橋的建設(shè)中，首先用常規(guī)方法建立了高精度邊角網(wǎng)，然后利用GPS對(duì)該網(wǎng)進(jìn)行了檢測(cè)，GPS檢測(cè)網(wǎng)達(dá)到了毫米級(jí)精度，與常規(guī)精度網(wǎng)的比較符合較好。GPS技術(shù)在隧道測(cè)量中具有廣泛的應(yīng)用前景，GPS測(cè)量無需通視，減少了常規(guī)方法的中間環(huán)節(jié)，因此，速度快、精度高，具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

　　差分動(dòng)態(tài)GPS在道路勘測(cè)方面主要應(yīng)用于數(shù)字地面模型的數(shù)據(jù)采集、控制點(diǎn)的加密、中線放樣、縱斷面測(cè)量以及無需外控點(diǎn)的機(jī)載GPS航測(cè)等方面。1994年6月在同濟(jì)大學(xué)試驗(yàn)了KART實(shí)時(shí)相位差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)，在1km范圍內(nèi)達(dá)到了優(yōu)于2cm的精度，因此能夠用于線路控制網(wǎng)的加密。GPS測(cè)量包含有三維信息，可用于數(shù)字地面模型的數(shù)據(jù)采集、中線放樣以及縱斷面測(cè)量。在中線平面位置放樣的同時(shí)，可獲得縱斷面，在中線放樣中需實(shí)時(shí)把基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)鏈傳到移動(dòng)站，從而提供移動(dòng)站的實(shí)時(shí)位置，由于GPS儀器不象經(jīng)緯儀那樣可以指示方向，因此需與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)相結(jié)合，從而可在計(jì)算機(jī)屏幕上看到目前位置與設(shè)計(jì)坐標(biāo)的差異。機(jī)載動(dòng)態(tài)差分GPS應(yīng)用于航測(cè)在德國(guó)和加拿大已取得了成功，用載波相位差分測(cè)出每個(gè)攝影中心的三維坐標(biāo)，而不再需要外控點(diǎn)測(cè)量，取得了良好的效果。

2、GPS在汽車導(dǎo)航和交通管理中的應(yīng)用

　　三維導(dǎo)航是GPS的首要功能，飛機(jī)、船舶、地面車輛以及步行者都可利用GPS導(dǎo)航接收器進(jìn)行導(dǎo)航。汽車導(dǎo)航系統(tǒng)是在全球定位系統(tǒng)GPS基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新型技術(shù)。汽車導(dǎo)航系統(tǒng)由GPS導(dǎo)航、自律導(dǎo)航、微處理器、車速傳感器、陀螺傳感器、CD—ROM驅(qū)動(dòng)器、LCD顯示器組成。

　　GPS導(dǎo)航是由GPS接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星信號(hào)（三顆以上），求出該點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)、速度、時(shí)間等信息。為提高汽車導(dǎo)航定位精度，通常采用差分GPS技術(shù)。當(dāng)汽車行駛到地下隧道、高層樓群、高速公路等遮掩物而與捕獲不到GPS衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)導(dǎo)入自律導(dǎo)航系統(tǒng)，此時(shí)由車速傳感器檢測(cè)出汽車的行進(jìn)速度，通過微處理單元的數(shù)據(jù)處理，從速度和時(shí)間中直接算出前進(jìn)的距離，陀螺傳感器直接檢測(cè)出前進(jìn)的方向，陀螺儀還能自動(dòng)存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)，即使在更換輪胎暫時(shí)停車時(shí)，系統(tǒng)也可以重新設(shè)定。

　　由GPS衛(wèi)星導(dǎo)航和自律導(dǎo)航所測(cè)到的汽車位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)、前進(jìn)的方向都與實(shí)際行駛的路線軌跡存在一定誤差，為修正這兩者的誤差，與地圖上的路線統(tǒng)一，需采用地圖匹配技術(shù)，加一個(gè)地圖匹配電路，對(duì)汽車行駛的路線與電子地圖上道路誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)相關(guān)匹配作自動(dòng)修正，此時(shí)地圖匹配電路是通過微處理單元的整理程序進(jìn)行快速處理，得到汽車在電子地圖上的正確位置，以指示出正確行駛路線。CD-ROM用于存儲(chǔ)道路數(shù)據(jù)等信息，LCD顯示器用于顯示導(dǎo)航的相關(guān)信息。

　　GPS導(dǎo)航系統(tǒng)與電子地圖、無線電通信網(wǎng)絡(luò)及計(jì)算機(jī)車輛管理信息系統(tǒng)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)車輛跟蹤和交通管理等許多功能，這些功能包括：

車輛跟蹤 
　　利用GPS和電子地圖可以實(shí)時(shí)顯示出車輛的實(shí)際位置，并任意放大、縮小、還原、換圖；可以隨目標(biāo)移動(dòng)，使目標(biāo)始終保持在屏幕上；還可實(shí)現(xiàn)多窗口、多車輛、多屏幕同時(shí)跟蹤。利用該功能可對(duì)重要車輛和貨物進(jìn)行跟蹤運(yùn)輸。

提供出行路線規(guī)劃和導(dǎo)航 
　　提供出行路線規(guī)劃是汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的一項(xiàng)重要輔助功能，它包括自動(dòng)線路規(guī)劃和人工線路設(shè)計(jì)。自動(dòng)線路規(guī)劃是由駕駛者確定起點(diǎn)和目的地，由計(jì)算機(jī)軟件按要求自動(dòng)設(shè)計(jì)最佳行駛路線，包括最快的路線、最簡(jiǎn)單的路線、通過高速公路路段次數(shù)最少的路線等的計(jì)算。人工線路設(shè)計(jì)是由駕駛者根據(jù)自己的目的地設(shè)計(jì)起點(diǎn)、終點(diǎn)和途經(jīng)點(diǎn)等，自動(dòng)建立線路庫。線路規(guī)劃完畢后，顯示器能夠在電子地圖上顯示設(shè)計(jì)線路，并同時(shí)顯示汽車運(yùn)行路徑和運(yùn)行方法。

信息查詢 
　　為用戶提供主要物標(biāo)，如旅游景點(diǎn)、賓館、醫(yī)院等數(shù)據(jù)庫，用戶能夠在電子地圖上根據(jù)需要進(jìn)行查詢。查詢資料可以文字、語言及圖象的形式顯示，并在電子地圖上顯示其位置。同時(shí)，監(jiān)測(cè)中心可以利用監(jiān)測(cè)控制臺(tái)對(duì)區(qū)域內(nèi)的任意目標(biāo)所在位置進(jìn)行查詢，車輛信息將以數(shù)字形式在控制中心的電子地圖上顯示出來。

（4）話務(wù)指揮

　　指揮中心可以監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)車輛運(yùn)行狀況，對(duì)被監(jiān)控車輛進(jìn)行合理調(diào)度。指揮中心也可隨時(shí)與被跟蹤目標(biāo)通話，實(shí)行管理。

（5）緊急援助

　　通過GPS定位和監(jiān)控管理系統(tǒng)可以對(duì)遇有險(xiǎn)情或發(fā)生事故的車輛進(jìn)行緊急援助。監(jiān)控臺(tái)的電子地圖顯示求助信息和報(bào)警目標(biāo)，規(guī)劃最優(yōu)援助方案，并以報(bào)警聲光提醒值班人員進(jìn)行應(yīng)急處理。

　　GPS技術(shù)在汽車導(dǎo)航和交通管理工程中的研究與應(yīng)用目前在中國(guó)剛剛起步，而國(guó)外在這方面的研究早已開始并已取得了一定的成果。加拿大卡爾加里大學(xué)設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一臺(tái)捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)，兩臺(tái)GPS接收機(jī)和一臺(tái)微機(jī)，可測(cè)定已有道路的線形參數(shù)，為道路管理系統(tǒng)服務(wù)。美國(guó)研制了應(yīng)用于城市的道路交通管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用GPS和GIS建立道路數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中包含有各種現(xiàn)時(shí)的數(shù)據(jù)資料，如道路的準(zhǔn)確位置、路面狀況、沿路設(shè)施等，該系統(tǒng)于1995年正式運(yùn)行，為城市道路交通管理起到重要作用。近些年來國(guó)外研制了各種用于車輛誘導(dǎo)的系統(tǒng)，其中車輛位置的實(shí)時(shí)確定以往主要依據(jù)慣性測(cè)量系統(tǒng)以及車輪傳感器，隨著GPS的發(fā)展和所顯示出的優(yōu)越性，有取代前兩種方法的趨勢(shì)。用于城市車輛誘導(dǎo)的GPS定位一般是在城市中設(shè)立一個(gè)基準(zhǔn)站，車載GPS實(shí)時(shí)接收 基準(zhǔn)站發(fā)射的信息，經(jīng)過差分處理便可計(jì)算出實(shí)時(shí)位置，把目前所處位置與所要到達(dá)的目標(biāo)在道路網(wǎng)中進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，便可在道路電子地圖上顯示出到達(dá)目標(biāo)的最優(yōu)化路線，為公安、消防、搶修、急救等車輛服務(wù)。 

3、GPS的其他應(yīng)用 

GPS除了用于導(dǎo)航、定位、測(cè)量外，由于GPS系統(tǒng)的空間衛(wèi)星上載有的精確時(shí)鐘可以發(fā)布時(shí)間和頻率信息，因此，以空間衛(wèi)星上的精確時(shí)鐘為基礎(chǔ)，在地面監(jiān)測(cè)站的監(jiān)控下，傳送精確時(shí)間和頻率是GPS的另一重要應(yīng)用，應(yīng)用該功能可進(jìn)行精確時(shí)間或頻率控制，可為許多工程實(shí)驗(yàn)服務(wù)。此外，據(jù)國(guó)外資料顯示，還可利用GPS獲得氣象數(shù)據(jù)，為某些試驗(yàn)和工程應(yīng)用。

　　全球定位系統(tǒng)GPS是近年來開發(fā)的最具有開創(chuàng)意義的高新技術(shù)之一，其全球性、全能性、全天候性的導(dǎo)航定位、定時(shí)、測(cè)速優(yōu)勢(shì)必然會(huì)在諸多領(lǐng)域中得到越來越廣泛

的應(yīng)用。在發(fā)達(dá)國(guó)家，GPS技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于交通運(yùn)輸和道路工程之中。目前，GPS技術(shù)在我國(guó)道路工程和交通管理中的應(yīng)用還剛剛起步，相信隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高等級(jí)公路的快速修建和GPS技術(shù)應(yīng)用研究的逐步深入，其在道路工程中的應(yīng)用也會(huì)更加廣泛和深入，并發(fā)揮更大的作用。

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