GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)在交通運(yùn)輸中的應(yīng)用(20201120103412)

1、GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)在交通運(yùn)輸中的應(yīng)用1 全球定位系統(tǒng)GPS簡介全球定位系統(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)勢的導(dǎo)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)。1.1 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。事實(shí)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(diǎn)向使用者提供 4 顆以上（最多可達(dá) 11 顆）可視衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時地導(dǎo)航定位

2、?？臻g系統(tǒng)的每顆衛(wèi)星每 12h（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(jī)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(dǎo)航信號。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=50Hz.為了節(jié)省衛(wèi)星的電能、增強(qiáng)GPS信號的抗干擾性、保密性，實(shí)現(xiàn)遙遠(yuǎn)的衛(wèi)星通信，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

3、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(zhǔn)頻率?；鶞?zhǔn)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(jī)關(guān)以及得到美國政府批準(zhǔn)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(fèi)使用。1.2 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、 1 個主控站和 3 個注入站構(gòu)成。該

4、系統(tǒng)的功能是：對空間衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測、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：1）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)傳給主控點(diǎn)。5 個監(jiān)控站均為無人守值數(shù)據(jù)采集中心； 2）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)，完成四項(xiàng)工作： 及時編算每顆衛(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)

5、星取代失效衛(wèi)星； 3）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。1.3 用戶接收系統(tǒng)接收系統(tǒng)主要由以無線電傳感和計(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。1）GPS 接收機(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，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(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，解求信號在站星間的傳播時間和載波相位差， 實(shí)時地獲得導(dǎo)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

6、 GPS接收機(jī)的核心， 承擔(dān)整個系統(tǒng)的管理、 控制和實(shí)時數(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，國際上已推出幾十種測量用 GPS接收機(jī)，各廠商的產(chǎn)品朝著實(shí)用、 輕便、易于操作、美觀價廉的方向發(fā)展； 2）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(jī)獲取的衛(wèi)星測量記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行“粗加工” 、“預(yù)處理” ,并對處理結(jié)果進(jìn)行平差計(jì)算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及分析綜合處理。 解得測站的三維坐標(biāo)，測體的坐標(biāo)、運(yùn)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(jī)制造廠家研制的

7、處理軟件也各具特色； 3）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(jì)算機(jī)求解站星關(guān)系和測站的三維坐標(biāo)。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(jī)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(yīng)用于軍事和民用等眾多領(lǐng)域中。 GPS 技術(shù)按待定點(diǎn)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(diǎn)的位置在觀測過程中固定不變的，如

8、 GPS 在大地測量中的應(yīng)用。動態(tài)定位是指待定點(diǎn)在運(yùn)動載體上，在觀測過程中是變化的，如GPS在船舶導(dǎo)航中的應(yīng)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(shí)時處理及后處理。 實(shí)時處理就是一邊接收衛(wèi)星信號一邊進(jìn)行計(jì)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(jìn)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(shí)時處理或后處理。2GPS在交通運(yùn)輸中的應(yīng)用2.1GPS在道路工程中的應(yīng)用目前，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

9、、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(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，同時也大大提前了工期。浙江省測繪局利用 Wild200GPS接收機(jī)的快速靜態(tài)定位功能施測了線路的全部初測導(dǎo)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(yīng)用于特大橋梁的控制測量中。由于無需通視，可構(gòu)成較強(qiáng)的網(wǎng)形，提高點(diǎn)位精度，同時對檢測常規(guī)測量的支點(diǎn)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(jìn)行了檢測， GPS檢測網(wǎng)達(dá)到了毫米級

10、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(yīng)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(jì)和社會效益。差分動態(tài) GPS 在道路勘測方面主要應(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、縱斷面測量以及無需外控點(diǎn)的機(jī)載GPS航測等方面。 1994 年 6 月在同濟(jì)大學(xué)試驗(yàn)了 KART實(shí)時相位差分衛(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。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(shí)時

11、把基準(zhǔn)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(shí)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(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)載動態(tài)差分GPS應(yīng)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(biāo)，而不再需要外控點(diǎn)測量，取得了良好的效果。2.2GPS在汽車導(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)展起來的一門新型技術(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

12、螺傳感器、 CD-ROM驅(qū)動器、 LCD 顯示器組成。GPS導(dǎo)航是由 GPS接收機(jī)接收 GPS衛(wèi)星信號（三顆以上）,求出該點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)、速度、時間等信息。為提高汽車導(dǎo)航定位精度，通常采用差分 GPS技術(shù)。由 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航和自律導(dǎo)航所測到的汽車位置坐標(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(jìn)行實(shí)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(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用于存儲道路數(shù)

13、據(jù)等信息， LCD顯示器用于顯示導(dǎo)航的相關(guān)信息。 GPS導(dǎo)航系統(tǒng)與電子地圖、無線電通信網(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：1）車輛跟蹤 :利用 GPS和電子地圖可以實(shí)時顯示出車輛的實(shí)際位置，并任意放大、縮小、還原、換圖；可以隨目標(biāo)移動，使目標(biāo)始終保持在屏幕上；還可實(shí)現(xiàn)多窗口、多車輛、多屏幕同時跟蹤。利用該功能可對重要車輛和貨物進(jìn)行跟蹤運(yùn)輸；2）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， 它包括自動線路規(guī)劃和人工線路設(shè)計(jì)。 自動線路規(guī)劃是由駕駛者確定起點(diǎn)和目的地， 由計(jì)算機(jī)軟件按要求自動設(shè)計(jì)最佳行駛路線，包括最

14、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(jì)算。 人工線路設(shè)計(jì)是由駕駛者根據(jù)自己的目的地設(shè)計(jì)起點(diǎn)、終點(diǎn)和途經(jīng)點(diǎn)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(jì)線路， 并同時顯示汽車運(yùn)行路徑和運(yùn)行方法。3）信息查詢：為用戶提供主要物標(biāo)，如旅游景點(diǎn)、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(jìn)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(biāo)所在位置進(jìn)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(wù)指揮：指揮中心可以監(jiān)測區(qū)域內(nèi)車輛運(yùn)行狀況，對被監(jiān)控車輛進(jìn)行合理調(diào)度

15、。 指揮中心也可隨時與被跟蹤目標(biāo)通話， 實(shí)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(jìn)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(biāo)，規(guī)劃最優(yōu)援助方案， 并以報警聲光提醒值班人員進(jìn)行應(yīng)急處理。GPS 技術(shù)在汽車導(dǎo)航和交通管理工程中的研究與應(yīng)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(xué)設(shè)計(jì)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(jī)和一臺微機(jī)， 可測定已有道路的線形參數(shù)，為道路管理系統(tǒng)服務(wù)。美國研制了應(yīng)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

16、中包含有各種現(xiàn)時的數(shù)據(jù)資料，如道路的準(zhǔn)確位置、路面狀況、沿路設(shè)施等，該系統(tǒng)于 1995 年正式運(yùn)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(dǎo)的系統(tǒng)， 其中車輛位置的實(shí)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(dǎo)的 GPS定位一般是在城市中設(shè)立一個基準(zhǔn)站， 車載 GPS實(shí)時接收基準(zhǔn)站發(fā)射的信息， 經(jīng)過差分處理便可計(jì)算出實(shí)時位置， 把目前所處位置與所要到達(dá)的目標(biāo)在道路網(wǎng)中進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，便可在道路電子地圖上顯示出到達(dá)目標(biāo)的最優(yōu)化路線，為公安、消防、搶修、急救等車輛服務(wù)。2.3GPS的其他應(yīng)用GPS除了用于導(dǎo)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