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(一)

1、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（一）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)GPSS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)?？臻g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550,軌道平面間距600。在每一軌道平

2、面內(nèi)，各衛(wèi)星升交角距差900,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300。事實(shí)上，空間衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)量要超過(guò)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?？臻g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(wú)線電發(fā)射機(jī)在“低噪音窗口”（無(wú)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

3、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=50H乙為了節(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言號(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

4、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(wú)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)

5、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(wú)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

6、主要作用是：記錄GPS言號(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。GPSa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

7、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GPSg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

8、事和民用等眾多領(lǐng)域中。GP限術(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(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)，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交通

9、運(yùn)輸中的應(yīng)用1、GPS在道路工程中的應(yīng)用GP夠道路工程中的應(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Wild200GPS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

10、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。GP限術(shù)也同樣應(yīng)用于特大橋梁的控制測(cè)量中。由于無(wú)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。GP密術(shù)在隧道測(cè)量中具有廣泛的應(yīng)用前景，GPSW量無(wú)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(wú)需外控點(diǎn)的機(jī)載GPS航測(cè)等方面。19

11、94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。GPSM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

12、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(lái)的一門(mén)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GPS航是由GPS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(guò)微處理單元的數(shù)據(jù)處理，從速度和

13、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(guò)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航系統(tǒng)與電子地圖、無(wú)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