全球卫星定位系统GPS及其在现代交通运输中的应用

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1、全球卫星定位系统用GPS及其在现代交通运输中的应摘要：本文系统介绍了 GPS的原理和其三大子系统，着重介绍了 GPS系统在交 通运输中的应用，包括在道路工程、汽车导航和交通管理中的应用以及其他应 用、全球定位系统GPS简介全球卫星定位系统GPS是美军70年代初在“子午仪卫星导航定位”技术上 发展而起的具有全球性、全能性（陆地、海洋、航空与航天）、全天候性优势 的导航定位、定时、测速系统。GPS由三大子系统构成：空间卫星系统、地面 监控系统、用户接收系统。空间卫星系统空间卫星系统由均匀分布在 6个轨道平面上的 24 颗高轨道工作卫星构成， 各轨道平面相对于赤道平面的倾角为 550，轨道平面间距6

2、00。在每一轨道平 面内，各卫星升交角距差900，任一轨道上的卫星比西边相邻轨道上的相应卫 星超前 300。事实上，空间卫星系统的卫星数量要超过 24 颗，以便及时更换 老化或损坏的卫星，保障系统正常工作。该卫星系统能够保证在地球的任一地 点向使用者提供 4 颗以上可视卫星。空间系统的每颗卫星每 12 小时（恒星时）沿近圆形轨道绕地球一周，由星 载高精度原子钟（基频F=10.23MHZ控制无线电发射机在“低噪音窗口” （无 线电窗口中， 2至 8区间的频区天线噪声最低的一段是空间遥测及射电干涉测 量优先选用频段）附近发射L1、L2两种载波，向全球的用户接收系统连续地播 发GPS导航信号。GPS

3、T作卫星组网保障全球任一时刻、任一地点都可对4颗以上的卫星进行观测（最多可达 11 颗），实现连续、实时地导航和定位。GPS卫星向广大用户发送的导航电文是一种不归零的二进制数据码D（t），码率fd=50HZ。为了节省卫星的电能、增强 GPS信号的抗干扰性、保密 性，实现遥远的卫星通讯，GPS卫星采用伪噪声码对 D码作二级调制，即先将 D 码调制成伪噪声码（P码和C/A码），再将上述两噪声码调制在 L1、L2两载波 上，形成向用户发射的GPS射电信号。因此，GPS信号包括两种载波（L1、 L2）和两种伪噪声码（P码、C/A码）。这四种GPS信号的频率皆源于 10.23MHZ（星载原子钟的基频）的

4、基准频率。基准频率与各信号频率之间存在 一定的比例。其中，P码为精确码，美国为了自身的利益，只供美国军方、政 府机关以及得到美国政府批准的民用用户使用，C/A码为粗码，其定位和时间精度均低于P码，目前，全世界的民用客户均可不受限制地免费使用。地面监控系统 地面监控系统由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的5个监测站、一个主控站和三个注入站构成。该系统的功能是：对空间卫星系统进行监 测、控制，并向每颗卫星注入更新的导航电文。地面监控系统各站的主要任务是：监测站用GPS接收系统测量每颗卫星的伪距和距离差，采集气象数据，并将观测 数据传送给主控点。 5个监控站均为无人守值的数据采集中心。主控站主

5、控站接收各监测站的GPS 卫星观测数据、卫星工作状态数据、各监测站 和注入站自身的工作状态数据。根据上述各类数据，完成以下几项工作：及时编算每颗卫星的导航电文并传送给注入站。控制和协调监测站间、注入站间的工作，检验注入卫星的导航电文是否正确 以及卫星是否将导航电文发给了 GPS用户系统。诊断卫星工作状态，改变偏离轨道的卫星位置及姿态，调整备用卫星取代失 效卫星。注入站接受主控站送达的各卫星导航电文并将之注入飞越其上空的每颗卫星用户接收系统用户接收系统主要由以无线电传感和计算机技术支撑的GPS卫星接收机和GPS数据处理软件构成。GPS接收机GPS卫星接收机的基本结构是天线单兀和接收单兀两部分。天

6、线单兀的主 要作用是：当GPS卫星从地平线上升起时，能捕获、跟踪卫星，接收放大GPS信号。接收单元的主要作用是：记录 GPS言号并对信号进行解调和滤波处理， 还原出GPS卫星发送的导航电文，解求信号在站星间的传播时间和载波相位 差，实时地获得导航定位数据或采用测后处理的方式，获得定位、测速、定时 等数据。1 2 3 4 下一页微处理器是GPS接收机的核心，承担整个系统的管理、控制和实时数据处理 视屏监控器是接收机与操作者进行人机交流的部件。目前，国际上已推出几十种测量用轻便、易于操作、美观价廉的方向发展。GPS接收机，各厂商的产品朝着实用、GPS数据处理软件GPS数据处理软件是GPS用户系统的

7、重要部分，其主要功能是对 GPS8收 机获取的卫星测量记录数据进行“粗加工”、“预处理”，并对处理结果进行 平差计算、坐标转换及分析综合处理。解得测站的三维坐标，测体的坐标、运 动速度、方向及精确时刻。GPS定位技术是正在发展中的高新技术，数据处理技术也处在不断更新之 中，各系列GPS接收机制造厂家研制的处理软件也各具特色。GPS定位的基本方法GPS定位采用空间被动式测量原理，即在测站上安置 GPS用户接收系统, 以各种可能的方式接收GPS卫星系统发送的各类信号，由计算机求解站星关系 和测站的三维坐标。由对GPS信号观测量的不同，GPS定位的基本方法有以下几种形式:伪距测量 载波相位测量 多普

8、勒测量 卫星射电干涉测量为了精密定位，一台GPS接收机往往不是单纯采用一种测量方式，而是以 某种方式为主，并辅以其他方法。目前，全球定位系统已广泛应用于军事和民用等众多领域中。GPS技术按待定点的状态分为静态定位和动态定位两大类。静态定位是指待定点的位置在 观测过程中固定不变的，如 GPS在大地测量中的应用。动态定位是指待定点在 运动载体上，在观测过程中是变化的，如 GPS在船舶导航中的应用。静态相对 定位的精度一般在几毫米几厘米范围内，动态相对定位的精度一般在几厘米到 几米范围内。对GPS言号的处理从时间上划分为实时处理及后处理。实时处理 就是一边接收卫星信号一边进行计算，获得目前所处的位置

9、、速度及时间等信 息；后处理是指把卫星信号记录在一定的介质上，回到室内统一进行数据处 理。一般来说，静态定位用户多采用后处理，动态定位用户采用实时处理或后 处理。、GPS在交通运输中的应用1、GPS在道路工程中的应用GPS在道路工程中的应用，目前主要是用于建立各种道路工程控制网及测 定航测外控点等。随着高等级公路的迅速发展，对勘测技术提出了更高的要 求，由于线路长，已知点少，因此，用常规测量手段不仅布网困难，而且难以 满足高精度的要求。目前，国内已逐步采用 GPS技术建立线路首级高精度控制 网，如沪宁、沪杭高速公路的上海段就是利用 GPS建立了首级控制网，然后用 常规方法布设导线加密。实践证明

10、，在几十公里范围内的点位误差只有2cm左右，达到了常规方法难以实现的精度，同时也大大提前了工期。浙江省测绘局 利用Wild 200 GPS接收机的快速静态定位功能施测了线路的全部初测导线， 快速、高精度的建立了数百公里的高速公路控制网，取得了良好的效果。 GPS 技术也同样应用于特大桥梁的控制测量中。由于无需通视，可构成较强的网 形，提高点位精度，同时对检测常规测量的支点也非常有效。如在江阴长江大 桥的建设中，首先用常规方法建立了高精度边角网，然后利用GPS对该网进行了检测，GPS佥测网达到了毫米级精度，与常规精度网的比较符合较好。GPS技术在隧道测量中具有广泛的应用前景， GPS测量无需通视

11、，减少了常规方法的 中间环节，因此，速度快、精度高，具有明显的经济和社会效益。差分动态GPS在道路勘测方面主要应用于数字地面模型的数据采集、控制 点的加密、中线放样、纵断面测量以及无需外控点的机载GPS亢测等方面。1994年6月在同济大学试验了 KART实时相位差分卫星定位系统，在 1km范围 内达到了优于2cm的精度，因此能够用于线路控制网的加密。GPSM量包含有 三维信息，可用于数字地面模型的数据采集、中线放样以及纵断面测量。在中 线平面位置放样的同时，可获得纵断面，在中线放样中需实时把基准站的数据 由数据链传到移动站，从而提供移动站的实时位置，由于GPS仪器不象经纬仪那样可以指示方向，因

12、此需与计算机辅助设计系统相结合，从而可在计算机屏 幕上看到目前位置与设计坐标的差异。机载动态差分GPS应用于航测在德国和加拿大已取得了成功，用载波相位差分测出每个摄影中心的三维坐标，而不再 需要外控点测量，取得了良好的效果。上一页 1234 下一页2、GPS在汽车导航和交通管理中的应用三维导航是GPS勺首要功能，飞机、船舶、地面车辆以及步行者都可利用 GPS导航接收器进行导航。汽车导航系统是在全球定位系统GPS基础上发展起来的一门新型技术。汽车导航系统由 GPS导航、自律导航、微处理器、车速传 感器、陀螺传感器、CD- ROM区动器、LCD显示器组成。GPS导航是由GPS接收机接收GPS卫星信

13、号（三颗以上），求出该点的经 纬度坐标、速度、时间等信息。为提高汽车导航定位精度，通常采用差分 GPS 技术。当汽车行驶到地下隧道、高层楼群、高速公路等遮掩物而与捕获不到 GPS卫星信号时，系统可自动导入自律导航系统，此时由车速传感器检测出汽 车的行进速度，通过微处理单元的数据处理，从速度和时间中直接算出前进的 距离，陀螺传感器直接检测出前进的方向，陀螺仪还能自动存储各种数据，即 使在更换轮胎暂时停车时，系统也可以重新设定。由GPS卫星导航和自律导航所测到的汽车位置坐标数据、前进的方向都与 实际行驶的路线轨迹存在一定误差，为修正这两者的误差，与地图上的路线统 一，需采用地图匹配技术，加一个地图

14、匹配电路，对汽车行驶的路线与电子地 图上道路误差进行实时相关匹配作自动修正，此时地图匹配电路是通过微处理 单元的整理程序进行快速处理，得到汽车在电子地图上的正确位置，以指示出 正确行驶路线。CD-RO用于存储道路数据等信息，LCD显示器用于显示导航的 相关信息。GPS导航系统与电子地图、无线电通信网络及计算机车辆管理信息系统相结合，可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能，这些功能包括：车辆跟踪利用GPS和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置，并任意放大、缩小、还原、换图；可以随目标移动，使目标始终保持在屏幕上；还可实现多窗 口、多车辆、多屏幕同时跟踪。利用该功能可对重要车辆和货物进行跟踪运 输。

15、提供出行路线规划和导航提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要辅助功能，它包括自动线路 规划和人工线路设计。自动线路规划是由驾驶者确定起点和目的地，由计算机 软件按要求自动设计最佳行驶路线，包括最快的路线、最简单的路线、通过高 速公路路段次数最少的路线等的计算。人工线路设计是由驾驶者根据自己的目 的地设计起点、终点和途经点等，自动建立线路库。线路规划完毕后，显示器 能够在电子地图上显示设计线路，并同时显示汽车运行路径和运行方法。信息查询为用户提供主要物标，如旅游景点、宾馆、医院等数据库，用户能够在电 子地图上根据需要进行查询。查询资料可以文字、语言及图象的形式显示，并 在电子地图上显示其位置。

16、同时，监测中心可以利用监测控制台对区域内的任 意目标所在位置进行查询，车辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图上显 示出来。4）话务指挥指挥中心可以监测区域内车辆运行状况，对被监控车辆进行合理调度。指挥中心也可随时与被跟踪目标通话，实行管理。5）紧急援助通过GPS定位和监控管理系统可以对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急 援助。监控台的电子地图显示求助信息和报警目标，规划最优援助方案，并以 报警声光提醒值班人员进行应急处理。GPSJ术在汽车导航和交通管理工程中的研究与应用目前在中国刚刚起步，而国外在这方面的研究早已开始并已取得了一定的成果。加拿大卡尔加里 大学设计了一种动态定位系统，该系统包括一台捷