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全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS及其在現(xiàn)代交通運輸中的應用 [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)在交通運輸中的應用，包括在道路工程、汽車導航和交通管理中的應用以及其他應用] 一、全球定位系統(tǒng)GPS簡介 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)勢的導航定位、定時、測速系統(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衛(wèi)星超前30Ο。事實上，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（恒星時）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及射電干涉測量優(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導航信號。GPS工作衛(wèi)星組網(wǎng)保障全球任一時刻、任一地點都可對4顆以上的衛(wèi)星進行觀測（最多可達11顆），實現(xiàn)連續(xù)、實時地導航和定位。 GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的導航電文是一種不歸零的二進制數(shù)據(jù)碼D（t），碼率fd=50HZ。為了節(jié)省衛(wèi)星的電能、增強GPS信號的抗干擾性、保密性，實現(xiàn)遙遠的衛(wèi)星通訊，GPS衛(wèi)星采用偽噪聲碼對D碼作二級調(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。因此，GPS信號包括兩種載波（L1、L2）和兩種偽噪聲碼（P碼、C/A碼）。這四種GPS信號的頻率皆源于10.23MHZ（星載原子鐘的基頻）的基準頻率?；鶞暑l率與各信號頻率之間存在一定的比例。其中，P碼為精確碼，美國為了自身的利益，只供美國軍方、政府機關(guān)以及得到美國政府批準的民用用戶使用，C/A碼為粗碼，其定位和時間精度均低于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)由均勻分布在美國本土和三大洋的美軍基地上的5個監(jiān)測站、一個主控站和三個注入站構(gòu)成。該系統(tǒng)的功能是：對空間衛(wèi)星系統(tǒng)進行監(jiān)測、控制，并向每顆衛(wèi)星注入更新的導航電文。 地面監(jiān)控系統(tǒng)各站的主要任務是： 監(jiān)測站 用GPS接收系統(tǒng)測量每顆衛(wèi)星的偽距和距離差，采集氣象數(shù)據(jù)，并將觀測數(shù)據(jù)傳送給主控點。5個監(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)測站的GPS衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、各監(jiān)測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)，完成以下幾項工作： 及時編算每顆衛(wèi)星的導航電文并傳送給注入站。 控制和協(xié)調(diào)監(jiān)測站間、注入站間的工作，檢驗注入衛(wèi)星的導航電文是否正確以及衛(wèi)星是否將導航電文發(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 接受主控站送達的各衛(wèi)星導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算機技術(shù)支撐的GPS衛(wèi)星接收機和GPS數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)成。 GPS接收機 GPS衛(wèi)星接收機的基本結(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GPS衛(wèi)星從地平線上升起時，能捕獲、跟蹤衛(wèi)星，接收放大GPS信號。接收單元的主要作用是：記錄GPS信號并對信號進行解調(diào)和濾波處理，還原出GPS衛(wèi)星發(fā)送的導航電文，解求信號在站星間的傳播時間和載波相位差，實時地獲得導航定位數(shù)據(jù)或采用測后處理的方式，獲得定位、測速、定時等數(shù)據(jù)。 微處理器是GPS接收機的核心，承擔整個系統(tǒng)的管理、控制和實時數(shù)據(jù)處理。視屏監(jiān)控器是接收機與操作者進行人機交流的部件。 目前，國際上已推出幾十種測量用GPS接收機，各廠商的產(chǎn)品朝著實用、輕便、易于操作、美觀價廉的方向發(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GPS接收機獲取的衛(wèi)星測量記錄數(shù)據(jù)進行“粗加工”、“預處理”，并對處理結(jié)果進行平差計算、坐標轉(zhuǎn)換及分析綜合處理。解得測站的三維坐標，測體的坐標、運動速度、方向及精確時刻。 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定位采用空間被動式測量原理，即在測站上安置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，由計算機求解站星關(guān)系和測站的三維坐標。 由對GPS信號觀測量的不同，GPS定位的基本方法有以下幾種形式： 偽距測量 載波相位測量 多普勒測量 衛(wèi)星射電干涉測量 為了精密定位，一臺GPS接收機往往不是單純采用一種測量方式，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)已廣泛應用于軍事和民用等眾多領(lǐng)域中。GPS技術(shù)按待定點的狀態(tài)分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位兩大類。靜態(tài)定位是指待定點的位置在觀測過程中固定不變的，如GPS在大地測量中的應用。動態(tài)定位是指待定點在運動載體上，在觀測過程中是變化的，如GPS在船舶導航中的應用。靜態(tài)相對定位的精度一般在幾毫米幾厘米范圍內(nèi)，動態(tài)相對定位的精度一般在幾厘米到幾米范圍內(nèi)。對GPS信號的處理從時間上劃分為實時處理及后處理。實時處理就是一邊接收衛(wèi)星信號一邊進行計算，獲得目前所處的位置、速度及時間等信息；后處理是指把衛(wèi)星信號記錄在一定的介質(zhì)上，回到室內(nèi)統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)處理。一般來說，靜態(tài)定位用戶多采用后處理，動態(tài)定位用戶采用實時處理或后處理。 二、GPS在交通運輸中的應用 1、GPS在道路工程中的應用 GPS在道路工程中的應用，目前主要是用于建立各種道路工程控制網(wǎng)及測定航測外控點等。隨著高等級公路的迅速發(fā)展，對勘測技術(shù)提出了更高的要求，由于線路長，已知點少，因此，用常規(guī)測量手段不僅布網(wǎng)困難，而且難以滿足高精度的要求。目前，國內(nèi)已逐步采用GPS技術(shù)建立線路首級高精度控制網(wǎng)，如滬寧、滬杭高速公路的上海段就是利用GPS建立了首級控制網(wǎng)，然后用常規(guī)方法布設(shè)導線加密。實踐證明，在幾十公里范圍內(nèi)的點位誤差只有2cm左右，達到了常規(guī)方法難以實現(xiàn)的精度，同時也大大提前了工期。浙江省測繪局利用Wild200GPS接收機的快速靜態(tài)定位功能施測了線路的全部初測導線，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)也同樣應用于特大橋梁的控制測量中。由于無需通視，可構(gòu)成較強的網(wǎng)形，提高點位精度，同時對檢測常規(guī)測量的支點也非常有效。如在江陰長江大橋的建設(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對該網(wǎng)進行了檢測，GPS檢測網(wǎng)達到了毫米級精度，與常規(guī)精度網(wǎng)的比較符合較好。GPS技術(shù)在隧道測量中具有廣泛的應用前景，GPS測量無需通視，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)濟和社會效益。 差分動態(tài)GPS在道路勘測方面主要應用于數(shù)字地面模型的數(shù)據(jù)采集、控制點的加密、中線放樣、縱斷面測量以及無需外控點的機載GPS航測等方面。1994年6月在同濟大學試驗了KART實時相位差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)，在1km范圍內(nèi)達到了優(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量。在中線平面位置放樣的同時，可獲得縱斷面，在中線放樣中需實時把基準站的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)鏈傳到移動站，從而提供移動站的實時位置，由于GPS儀器不象經(jīng)緯儀那樣可以指示方向，因此需與計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)相結(jié)合，從而可在計算機屏幕上看到目前位置與設(shè)計坐標的差異。機載動態(tài)差分GPS應用于航測在德國和加拿大已取得了成功，用載波相位差分測出每個攝影中心的三維坐標，而不再需要外控點測量，取得了良好的效果。 2、GPS在汽車導航和交通管理中的應用 三維導航是GPS的首要功能，飛機、船舶、地面車輛以及步行者都可利用GPS導航接收器進行導航。汽車導航系統(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)。汽車導航系統(tǒng)由GPS導航、自律導航、微處理器、車速傳感器、陀螺傳感器、CD—ROM驅(qū)動器、LCD顯示器組成。 GPS導航是由GPS接收機接收GPS衛(wèi)星信號（三顆以上），求出該點的經(jīng)緯度坐標、速度、時間等信息。為提高汽車導航定位精度，通常采用差分GPS技術(shù)。當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)星信號時，系統(tǒng)可自動導入自律導航系統(tǒng)，此時由車速傳感器檢測出汽車的行進速度，通過微處理單元的數(shù)據(jù)處理，從速度和時間中直接算出前進的距離，陀螺傳感器直接檢測出前進的方向，陀螺儀還能自動存儲各種數(shù)據(jù)，即使在更換輪胎暫時停車時，系統(tǒng)也可以重新設(shè)定。 由GPS衛(wèi)星導航和自律導航所測到的汽車位置坐標數(shù)據(jù)、前進的方向都與實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)，加一個地圖匹配電路，對汽車行駛的路線與電子地圖上道路誤差進行實時相關(guān)匹配作自動修正，此時地圖匹配電路是通過微處理單元的整理程序進行快速處理，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用于存儲道路數(shù)據(jù)等信息，LCD顯示器用于顯示導航的相關(guān)信息。 GPS導航系統(tǒng)與電子地圖、無線電通信網(wǎng)絡及計算機車輛管理信息系統(tǒng)相結(jié)合，可以實現(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和電子地圖可以實時顯示出車輛的實際位置，并任意放大、縮小、還原、換圖；可以隨目標移動，使目標始終保持在屏幕上；還可實現(xiàn)多窗口、多車輛、多屏幕同時跟蹤。利用該功能可對重要車輛和貨物進行跟蹤運輸。 提供出行路線規(guī)劃和導航 提供出行路線規(guī)劃是汽車導航系統(tǒng)的一項重要輔助功能，它包括自動線路規(guī)劃和人工線路設(shè)計。自動線路規(guī)劃是由駕駛者確定起點和目的地，由計算機軟件按要求自動設(shè)計最佳行駛路線，包括最快的路線、最簡單的路線、通過高速公路路段次數(shù)最少的路線等的計算。人工線路設(shè)計是由駕駛者根據(jù)自己的目的地設(shè)計起點、終點和途經(jīng)點等，自動建立線路庫。線路規(guī)劃完畢后，顯示器能夠在電子地圖上顯示設(shè)計線路，并同時顯示汽車運行路徑和運行方法。 信息查詢 為用戶提供主要物標，如旅游景點、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，監(jiān)測中心可以利用監(jiān)測控制臺對區(qū)域內(nèi)的任意目標所在位置進行查詢，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）話務指揮 指揮中心可以監(jiān)測區(qū)域內(nèi)車輛運行狀況，對被監(jiān)控車輛進行合理調(diào)度。指揮中心也可隨時與被跟蹤目標通話，實行管理。 （5）緊急援助 通過GPS定位和監(jiān)控管理系統(tǒng)可以對遇有險情或發(fā)生事故的車輛進行緊急援助。監(jiān)控臺的電子地圖顯示求助信息和報警目標，規(guī)劃最優(yōu)援助方案，并以報警聲光提醒值班人員進行應急處理。 GPS技術(shù)在汽車導航和交通管理工程中的研究與應用目前在中國剛剛起步，而國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設(shè)計了一種動態(tài)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一臺捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)，兩臺GPS接收機和一臺微機，可測定已有道路的線形參數(shù)，為道路管理系統(tǒng)服務。美國研制了應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)時的數(shù)據(jù)資料，如道路的準確位置、路面狀況、沿路設(shè)施等，該系統(tǒng)于1995年正式運行，為城市道路交通管理起到重要作用。近些年來國外研制了各種用于車輛誘導的系統(tǒng)，其中車輛位置的實時確定以往主要依據(jù)慣性測量系統(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。用于城市車輛誘導的GPS定位一般是在城市中設(shè)立一個基準站，車載GPS實時接收基準站發(fā)射的信息，經(jīng)過差分處理便可計算出實時位置，把目前所處位置與所要到達的目標在道路網(wǎng)中進行優(yōu)化計算，便可在道路電子地圖上顯示出到達目標的最優(yōu)化路線，為公安、消防、搶修、急救等車輛服務。 3、GPS的其他應用 GPS除了用于導航、定位、測量外，由于GPS系統(tǒng)的空間衛(wèi)星上載有的精確時鐘可以發(fā)布時間和頻率信息，因此，以空間衛(wèi)星上的精確時鐘為基礎(chǔ)，在地面監(jiān)測站的監(jiān)控下，傳送精確時間和頻率是GPS的另一重要應用，應用該功能可進行精確時間或頻率控制，可為許多工程實驗服務。此外，據(jù)國外資料顯示，還可利用GPS獲得氣象數(shù)據(jù)，為某些試驗和工程應用。 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、全天候性的導航定位、定時、測速優(yōu)勢必然會在諸多領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應用。在發(fā)達國家，GPS技術(shù)已經(jīng)開始應用于交通運輸和道路工程之中。目前，GPS技術(shù)在我國道路工程和交通管理中的應用還剛剛起步，相信隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，高等級公路的快速修建和GPS技術(shù)應用研究的逐步深入，其在道路工程中的應用也會更加廣泛和深入，并發(fā)揮更大的作用。 第 9 頁 共 9 頁