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全球衛星定位系統GPS及其在現代交通運輸中的應用
[摘要：本文系統介紹了GPS的原理和其三大子系統，著重介紹了GPS系統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GPS簡介
全球衛星定位系統GPS是美軍70年代初在“子午儀衛星導航定位”技術上發展而起的具有全球性、全能性（陸地、海洋、航空與航天）、全天候性優勢的導航定位、定時、測速系統。GPS由三大子系統構成：空間衛星系統、地面監控系統、用戶接收系統。
空間衛星系統
空間衛星系統由均勻分布在6個軌道平面上的24顆高軌道工作衛星構成，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，各衛星升交角距差90Ο，任一軌道上的衛星比西邊相鄰軌道上的相應衛星超前30Ο。事實上，空間衛星系統的衛星數量要超過24顆，以便及時更換老化或損壞的衛星，保障系統正常工作。該衛星系統能夠保證在地球的任一地點向使用者提供4顆以上可視衛星。
空間系統的每顆衛星每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）控制無線電發射機在“低噪音窗口”（無線電窗口中，2至8區間的頻區天線噪聲最低的一段是空間遙測及射電干涉測量優先選用頻段）附近發射L1、L2兩種載波，向全球的用戶接收系統連續地播發GPS導航信號。GPS工作衛星組網保障全球任一時刻、任一地點都可對4顆以上的衛星進行觀測（最多可達11顆），實現連續、實時地導航和定位。
GPS衛星向廣大用戶發送的導航電文是一種不歸零的二進制數據碼D（t），碼率fd=50HZ。為了節省衛星的電能、增強GPS信號的抗干擾性、保密性，實現遙遠的衛星通訊，GPS衛星采用偽噪聲碼對D碼作二級調制，即先將D碼調制成偽噪聲碼（P碼和C/A碼），再將上述兩噪聲碼調制在L1、L2兩載波上，形成向用戶發射的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。基準頻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。
地面監控系統
地面監控系統由均勻分布在美國本土和三大洋的美軍基地上的5個監測站、一個主控站和三個注入站構成。該系統的功能是：對空間衛星系統進行監測、控制，并向每顆衛星注入更新的導航電文。
地面監控系統各站的主要任務是：
監測站
用GPS接收系統測量每顆衛星的偽距和距離差，采集氣象數據，并將觀測數據傳送給主控點。5個監控站均為無人守值的數據采集中心。
主控站
主控站接收各監測站的GPS衛星觀測數據、衛星工作狀態數據、各監測站和注入站自身的工作狀態數據。根據上述各類數據，完成以下幾項工作：
·及時編算每顆衛星的導航電文并傳送給注入站。
·控制和協調監測站間、注入站間的工作，檢驗注入衛星的導航電文是否正確以及衛星是否將導航電文發給了GPS用戶系統。
·診斷衛星工作狀態，改變偏離軌道的衛星位置及姿態，調整備用衛星取代失效衛星。
注入站
接受主控站送達的各衛星導航電文并將之注入飛越其上空的每顆衛星。
用戶接收系統
用戶接收系統主要由以無線電傳感和計算機技術支撐的GPS衛星接收機和GPS數據處理軟件構成。
GPS接收機
GPS衛星接收機的基本結構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衛星從地平線上升起時，能捕獲、跟蹤衛星，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和濾波處理，還原出GPS衛星發送的導航電文，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據或采用測后處理的方式，獲得定位、測速、定時等數據。
微處理器是GPS接收機的核心，承擔整個系統的管理、控制和實時數據處理。視屏監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，各廠商的產品朝著實用、輕便、易于操作、美觀價廉的方向發展。
GPS數據處理軟件
GPS數據處理軟件是GPS用戶系統的重要部分，其主要功能是對GPS接收機獲取的衛星測量記錄數據進行“粗加工”、“預處理”，并對處理結果進行平差計算、坐標轉換及分析綜合處理。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定位技術是正在發展中的高新技術，數據處理技術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，以各種可能的方式接收GPS衛星系統發送的各類信號，由計算機求解站星關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，全球定位系統已廣泛應用于軍事和民用等眾多領域中。GPS技術按待定點的狀態分為靜態定位和動態定位兩大類。靜態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。靜態相對定位的精度一般在幾毫米幾厘米范圍內，動態相對定位的精度一般在幾厘米到幾米范圍內。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；后處理是指把衛星信號記錄在一定的介質上，回到室內統一進行數據處理。一般來說，靜態定位用戶多采用后處理，動態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及測定航測外控點等。隨著高等級公路的迅速發展，對勘測技術提出了更高的要求，由于線路長，已知點少，因此，用常規測量手段不僅布網困難，而且難以滿足高精度的要求。目前，
國內已逐步采用GPS技術建立線路首級高精度控制網，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，然后用常規方法布設導線加密。實踐證明，在幾十公里范圍內的點位誤差只有2cm左右，達到了常規方法難以實現的精度，同時也大大提前了工期。浙江省測繪局利用Wild 200 GPS接收機的快速靜態定位功能施測了線路的全部初測導線，快速、高精度的建立了數百公里的高速公路控制網，取得了良好的效果。GPS技術也同樣應用于特大橋梁的控制測量中。由于無需通視，可構成較強的網形，提高點位精度，同時對檢測常規測量的支點也非常有效。如在江陰長江大橋的建設中，首先用常規方法建立了高精度邊角網，然后利用GPS對該網進行了檢測，GPS檢測網達到了毫米級精度，與常規精度網的比較符合較好。GPS技術在隧道測量中具有廣泛的應用前景，GPS測量無需通視，減少了常規方法的中間環節，因此，速度快、精度高，具有明顯的經濟和社會效益。
差分動態GPS在道路勘測方面主要應用于數字地面模型的數據采集、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實時相位差分衛星定位系統，在1km范圍內達到了優于2cm的精度，因此能夠用于線路控制網的加密。GPS測量包含有三維信息，可用于數字地面模型的數據采集、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據由數據鏈傳到移動站，從而提供移動站的實時位置，由于GPS儀器不象經緯儀那樣可以指示方向，因此需與計算機輔助設計系統相結合，從而可在計算機屏幕上看到目前位置與設計坐標的差異。機載動態差分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。汽車導航系統是在全球定位系統GPS基礎上發展起來的一門新型技術。汽車導航系統由GPS導航、自律導航、微處理器、車速傳感器、陀螺傳感器、CD—ROM驅動器、LCD顯示器組成。
GPS導航是由GPS接收機接收GPS衛星信號（三顆以上），求出該點的經緯度坐標、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。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衛星信號時，系統可自動導入自律導航系統，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據處理，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據，即使在更換輪胎暫時停車時，系統也可以重新設定。
由GPS衛星導航和自律導航所測到的汽車位置坐標數據、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，與地圖上的路線統一，需采用地圖匹配技術，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用于存儲道路數據等信息，LCD顯示器用于顯示導航的相關信息。
GPS導航系統與電子地圖、無線電通信網絡及計算機車輛管理信息系統相結合，可以實現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。
提供出行路線規劃和導航
提供出行路線規劃是汽車導航系統的一項重要輔助功能，它包括自動線路規劃和人工線路設計。自動線路規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最少的路線等的計算。人工線路設計是由駕駛者根據自己的目的地設計起點、終點和途經點等，自動建立線路庫。線路規劃完畢后，顯示器能夠在電子地圖上顯示設計線路，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、醫院等數據庫，用戶能夠在電子地圖上根據需要進行查詢。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，監測中心可以利用監測控制臺對區域內的任意目標所在位置進行查詢，車輛信息將以數字形式在控制中心的電子地圖上顯示出來。
（4）話務指揮
指揮中心可以監測區域內車輛運行狀況，對被監控車輛進行合理調度。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定位和監控管理系統可以對遇有險情或發生事故的車輛進行緊急援助。監控臺的電子地圖顯示求助信息和報警目標，規劃最優援助方案，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計了一種動態定位系統，該系統包括一臺捷聯式慣性系統，兩臺GPS接收機和一臺微機，可測定已有道路的線形參數，為道路管理系統服務。美國研制了應用于城市的道路交通管理系統，該系統利用GPS和GIS建立道路數據庫，在數據庫中包含有各種現時的數據資料，如道路的準確位置、路面狀況、沿路設施等，該系統于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，其中車輛位置的實時確定以往主要依據慣性測量系統以及車輪傳感器，隨著GPS的發展和所顯示出的優越性，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立一個基準站，車載GPS實時接收 基準站發射的信息，經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中進行優化計算，便可在道路電子地圖上顯示出到達目標的最優化路線，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系統的空間衛星上載有的精確時鐘可以發布時間和頻率信息，因此，以空間衛星上的精確時鐘為基礎，在地面監測站的監控下，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，據國外資料顯示，還可利用GPS獲得氣象數據，為某些試驗和工程應用。
全球定位系統GPS是近年來開發的最具有開創意義的高新技術之一，其全球性、全能性、全天候性的導航定位、定時、測速優勢必然會在諸多領域中得到越來越廣泛
的應用。在發達國家，GPS技術已經開始應用于交通運輸和道路工程之中。目前，GPS技術在我國道路工程和交通管理中的應用還剛剛起步，相信隨著我國經濟的發展，高等級公路的快速修建和GPS技術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，并發揮更大的作用。
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