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1、编号：186 姓名：颜政 班级：091314GPS在现代交通运输中应用（江苏海事职业技术学院 航海技术系 颜政）摘要随着我国城市建设和交通运输业的迅猛发展，车辆快速增多，交通运输的经营管理与合理调度，警用车辆的指挥和安全管理已成为公安、交通系统中的一个重要问题。卫星定位系统GPS定位技术的出现，给车辆、轮船等交通工具的导航定位提供了具体的实时定位能力，其重要应用受到了广泛关注，应用项目逐渐增多，有形成产业趋势，应用前景十分广阔。本文就从GPS的基本情况和发展现状出发，对其在现代交通运输中的作用做深入研究。关键词：GPS；交通管理；船舶航行；应用研究概述1 引言全球卫星定位系统GPS是美军70年
2、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。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，在汽车导航和交通管理中的应用我国还刚刚起步，随着我国经济的发展，GPS技术应用研究的逐步深入，GPS在现代交通管理中，必将发挥更大的作用。随着我国城市建设和交通运输业的迅猛发展，车辆快速增多，交通运输的经营管理与合理调度，警用车辆的指挥和安全管理已成为公安、交通系统中的一个重要问题。过去，用于交通管理系统的设备主要是无线电通信设备，由调度中心向车辆
3、驾驶员发出调度命令，驾驶员根据自己的判断说出车辆所在的大概位置，而在生疏地带或在夜间则无法确认自己的具体方位甚至迷路。因此，无论从调度管理还是安全管理方面来说，其应用均受到较大的限制。卫星定位系统GPS定位技术的出现，给车辆、轮船等交通工具的导航定位提供了具体的实时定位能力，其重要应用受到了广泛关注，应用项目逐渐增多，有形成产业趋势，应用前景十分广阔。本文就从GPS的基本情况和发展现状出发，对其在现代交通运输中的作用做深入研究。2 全球卫星定位系统GPS简介及目前的发展现状2.1 GPS系统简介GPS是Global Position System缩写，即全球卫星定位系统。GPS最早是美国于19
4、73年开始研制、供陆海空三军共同使用的一种高精度卫星导航定位系统。它是在“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、测速的系统。GPS是一项高科技成果，美国在海湾战争中有效地应用了这一技术，在“沙漠风暴”行动中，美军和多国部队在轰炸机、战斗机、直升机远程陆地攻击导弹、战车、坦克上装备了7000台GPS接收机，大大提高了攻击目标的精确度和协同作战能力。海湾战争以后，GPS系统普遍被各国所重视，并已开始由单一的军事用途转向商业开发与应用。GPS系统由空间星座、用户接收设备、无线数据通讯设备及地面监视控制设备四部分组成。空间星座是
5、由美国发射的、运行在2.2万km上空六条准同步轨道上的24颗卫星，它可以覆盖全球，由这24颗卫星发出可供全球、全天候、三维立体、实时边疆和高精度的卫星导航定位信号。用户接收设备只需要接到24颗卫星中的其中三颗卫星信号，就能够确定接收机所处位置的准确数据，这些数据信息通过无线数据传输系统传送到控制指挥中心，由控制指挥中心的设备进行数据分析与处理，并通过中心系统配置的地理信息系统和高分辨率电子显示器，将用户接收机的实时位置显示在电子地图上。用户的GPS接收设备通过接收所在区域能够收到的卫星的信号，从而得到这些卫星与GPS接收设备之间的距离，由于卫星发出的信号中已经给出了当时卫星的准确位置，因而GP
6、S接收设备即可计算出自身的位置，此即GPS的定位原理。目前，商业拥护的定位精度一般只能保证误差小于15m。如要提高定位精度，则需采用差分技术，具体方法为：在某一固定地点，设立固定基站，基站通过GPS接收机计算出自身的位置。由于卫星位置信息的不准确性，将导致基站计算出的自身位置与真实位置之间有一定的偏差。这一偏差，反映了卫星位置的偏差。移动系统GPS在数据处理时，利用此偏差信息，消除卫星位置不准确性带来的误差，从而提高商业用户定位精度，能够达到2m-5m。2.2 全球卫星定位导航系统发展现状当前，世界上正在运行的全球卫星定位导航系统主要有两大系统：一是美国的GPS系统，二是俄罗斯的GLONASS
7、（格鲁纳斯）系统。近年来，欧盟也提出了有自己特色的“伽利略”全球卫星定位计划。因此，未来密布在太空的全球卫星定位系统将形成美、俄、欧操纵的GPS、“格鲁纳斯”、“伽利略”三大系统相互竞争的局面。而我国的“北斗一代”导航系统则是世界上第一个区域性卫星导航系统。2.2.1俄罗斯的GLONASS系统俄罗斯的GLONASS卫星定位系统于1995年建成，由24颗卫星组成，耗资30多亿美元，军民两用，拥有24颗中高度圆轨道卫星加1颗备用卫星组网。每颗卫星都在1.91万km高的轨道上运行，周期为11.25h。因GLONASS卫星星座一直处于降效运行状态，精度要比GPS系统的精度低。为此，俄罗斯正在着手对GL
8、ONASS进行现代化改造，2007年使“格洛纳斯”系统的工作卫星数量达到了18颗，开始发挥导航定位功能。整个系统改造按计划于2010年完成。届时，该系统导航范围可覆盖整个地球表面和近地空间，定位精度可达1m，用户将可以不间断地获得相关物体的准确坐标信息。军事专家指出，无论是对付国家导弹防御系统，还是打“太空战”，该系统都是俄手中的“王牌”之一。2.2.2美国的GPS系统美国的GPS卫星定位系统由美国国防部于1973年开始设计、研制，1993年全部建成。GPS系统耗资200多亿美元，初始作用是为美军在全球的舰船、飞机导航并指挥陆军作战。该系统由24颗卫星组成，每台GPS接收机无论在何时何地都可以
9、同时接收到最少4颗GPS卫星发送的空间轨道信息，通过对定位信息的解算便可确定该接收机的位置，从而提供高精度的三维(经度、纬度、高度)定位导航信息。1994年，美国宣布在10年内向全世界免费提供GPS全球定位系统的使用权，但至今美国只向外国提供低精度的卫星信号，精确度约为10m。据悉，美国目前正在设计试验新的第二代工作卫星改进系统，计划发射20颗卫星，定位精度计划达到1mm。2.2.3欧洲的“伽利略”系统欧洲于1999年提出“伽利略计划”，2002年3月26日，欧盟15国交通部长会议一致决定，正式启动伽利略导航卫星计划，计划投资36亿欧元，向高度为2.4万km的太空发射30颗卫星，组成“伽利略”
10、卫星定位系统。2004年10月9日，中欧伽利略计划技术合作协议在北京正式签署，中国将投入2.3亿欧元，加入“伽利略计划”的研制。伽利略系统的典型功能是信号中继，即向用户接收机的数据传输可以通过一种特殊的联系方式或其他系统的中继来实现，例如通过移动通信网来实现。通过“伽利略”，汽车和火车可以在没有司机的情况下自动行驶，如果汽车司机想休息一下或浏览一下当天的报纸，那么，只要他打开自动驾驶仪，汽车就可以自动行驶，自动避让障碍物或超车；飞机能在任何情况下，在任何机场安全降落；轮船即使在大雾中也可以安全航行；等等。有人称，如果说通过GPS只能找到街道的话，那么利用“伽利略”则能找到车库的门。伽利略除了能
11、提供精确的定位信号外，还可以提供移动电话业务服务，用于救生行动，如接收失事飞机的求救信号后，快速通知附近的救援部门。据称，这些是GPS还无法实现的。该系统将主要服务于民用，提供误差不超过1m的精确定位服务。而美国的GPS只为自己（尤其是军方）提供高精度定位，对其他用户只提供低精度的定位服务，而且美国随时可以关闭这种服务（特别是在战时）。伽利略是完全提供给民用的，定位精度比美国提供的高，不会无故关闭服务。毫无疑问，伽利略目前是GPS的最强有力竞争对手。2.2.4中国的北斗导航系统1994年我国开始建设“北斗一代”卫星导航定位系统。随着2000年10月31日、12月21日和2003年5月25日三颗
12、“北斗”导航卫星的相继发射成功，我国建立了第一代区域性导航定位卫星系统，成为继美国、俄罗斯之后，世界上第三个拥有卫星导航系统的国家。我国的“北斗一代”导航系统综合了传统天文导航定位及地面无线电导航定位的优点，相当于一个设置在太空的无线电导航台，可在任何地点、任何时间为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度，是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域性导航系统。该系统主要为公路交通、海上作业、铁路运输等领域提供导航服务，还可以为灾害预报、森林防火以及气象、石油、海洋、通信、公安等特殊行业提供高效的导航定位服务，能基本满足当前我国陆、海、空运输导航定位的需求，可以说是一个成功的、实用的、投资很少的初级起
13、步系统，对我国经济建设起到了积极的推动作用。但是，“北斗一代”导航系统还仅仅是一个自主简易的导航系统，随着我国经济、国防建设的发展对导航定位的信息支持要求越来越高，这个投资很少的初级系统，尚不能满足我国今后对卫星导航系统进一步发展的需求，而且还不能与国际上的GPS、GLONASS及欧洲伽利略系统兼容。因此，为了迎接挑战，必须积极借鉴国外GPS、GLONASS的成功经验，进一步发展第二代性能更高的卫星导航系统。目前我国的“北斗二代”卫星导航系统已基本研制成功，即将发射升空，性能不比美国目前的GPS差。“北斗二代”导航系统计划包括4颗静止星、12颗中轨星和9颗高轨星。计划在2008年左右覆盖中国及
14、周边地区，2010年实现全球精确覆盖，到那时我国将拥有真正意义上自己的全球卫星定位系统。对于不同等级的GPS网，有下列的精度要求：测量分类固定误差(mm)比例误差(ppm)相邻点距离(km)A50.11002000B8115250C105540D1010215E1020110A级网一般为区域或国家框架网、区域动力学网；B级网为国家大地控制网或地方框架网；C级网为地方控制网和工程控制网；D级网为工程控制网；E级网为测图网。美国联邦大地测量分管委员会（Federal Geodetic Control Subcommittee-FGCS）在1988年公布的GPS相对定位的精度标准中有一个AA级的等级
15、，此等级的网一般为全球性的坐标框架。2.3 GPS测量的基本原理2.3.1按量测信号不同分为伪距测量及载波相位测量1.伪距测量:是以测距码为量测信号,卫星依据自己的时钟发出某一结构的测距码,测距码经过t时间到达接收机,接收机在自己的时钟控制下产生一组与卫星测距码结构完全相同的复制码,通过时间延迟t复制码与来自卫星的测距码完全对齐,时间t即为卫星信号的传播时间, t乘以光速c即为GPS卫星与测站之间的距离。由于卫星信号在大气中传播要受到电离层及对流层的影响,传播速度不完全等于c,卫星钟与接收机钟也不完全同步,因而伪距测量的观测方程为:(Xsi-X)2+(Ysi-Y)2+(Zsi-Z)21/2-
16、cVTb=i+ (i)ion+(i)trop-cVtia 式中:Xsi、Ysi、Zsi为第i颗卫星的坐标X、Y、Z为测站点坐标Vtia是第i个卫星在信号瞬间的钟改正数VTb为接收机钟改正数(i)ion为电离层折射改正数(i)trop为对流层折射改正数上式中卫星坐标、电离层改正、对流层改正可依据卫星导航电文及相关改正公式求得,认为已知。卫星钟为稳定度特别好的原子钟,钟改正数可根据卫星导航电文中给出的系数求出。由于接收机钟仅为质量一般的石英钟,因而将接收机钟作为未知数。上式中包括站点坐标在内共有四个未知数,因而在任何观测瞬间用户至少需要同时测定至四颗卫星的距离。 2.载波相位测量:伪距测量是以测距码为量测信号,由于码元长度较长,量侧的精度大约为一个码元长度
