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全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS及其在現(xiàn)代交通運輸中的應用
全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS及其在現(xiàn)代交通運輸中的應用 [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(tǒng)GPS簡介 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS是美軍70年代初在“子午儀衛(wèi)星導航定位”技術上發(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)勢的導航定位、定時、測速系統(tǒng)。GPS由三大子系統(tǒng)構成：空間衛(wèi)星系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、用戶接收系統(tǒng)。 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(nèi)，各衛(wèi)星升交角距差90Ο，任一軌道上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道上的相應衛(wèi)星超前30Ο。事實上，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向使用者提供4顆以上可視衛(wèi)星。 空間系統(tǒng)的每顆衛(wèi)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(fā)射機在“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導航信號。GPS工作衛(wèi)星組網(wǎng)保障全球任一時刻、任一地點都可對4顆以上的衛(wèi)星進行觀測（最多可達11顆），實現(xiàn)連續(xù)、實時地導航和定位。 GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的導航電文是一種不歸零的二進制數(shù)據(jù)碼D（t），碼率fd=50HZ。為了節(jié)省衛(wèi)星的電能、增強GPS信號的抗干擾性、保密性，實現(xiàn)遙遠的衛(wèi)星通訊，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）的基準頻率�；鶞暑l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(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、一個主控站和三個注入站構成。該系統(tǒng)的功能是：對空間衛(wèi)星系統(tǒng)進行監(jiān)測、控制，并向每顆衛(wèi)星注入更新的導航電文。 地面監(jiān)控系統(tǒng)各站的主要任務是： 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)傳送給主控點。5個監(jiān)控站均為無人守值的數(shù)據(jù)采集中心。 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)，完成以下幾項工作： ·及時編算每顆衛(wèi)星的導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，檢驗注入衛(wèi)星的導航電文是否正確以及衛(wèi)星是否將導航電文發(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
接受主控站送達的各衛(wèi)星導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)主要由以無線電傳感和計算機技術支撐的GPS衛(wèi)星接收機和GPS數(shù)據(jù)處理軟件構成。 GPS接收機
GPS衛(wèi)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(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信號并對信號進行解調(diào)和濾波處理，還原出GPS衛(wèi)星發(fā)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(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GPS接收機的核心，承擔整個系統(tǒng)的管理、控制和實時數(shù)據(jù)處理。視屏監(jiān)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(chǎn)品朝著實用、輕便、易于操作、美觀價廉的方向發(fā)展。 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接收機獲取的衛(wèi)星測量記錄數(shù)據(jù)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(fā)展中的高新技術，數(shù)據(jù)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(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(wèi)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(tǒng)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(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(tài)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(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時處理及后處理。實時處理就是一邊接收衛(wèi)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(wèi)星信號記錄在一定的介質(zhì)上，回到室內(nèi)統(tǒng)一進行數(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(wǎng)及測定航測外控點等。隨著高等級公路的迅速發(fā)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(guī)測量手段不僅布網(wǎng)困難，而且難以滿足高精度的要求。目前，國內(nèi)已逐步采用GPS技術建立線路首級高精度控制網(wǎng)，如滬寧、滬杭高速公路的長沙長海醫(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)的任意目標所在位置進行查詢，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）話務指揮 指揮中心可以監(jiān)測區(qū)域內(nèi)車輛運行狀況，對被監(jiān)控車輛進行合理調(diào)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(jiān)控管理系統(tǒng)可以對遇有險情或發(fā)生事故的車輛進行緊急援助。監(jiān)控臺的電子地圖顯示求助信息和報警目標，規(guī)劃最優(yōu)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(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接收機和一臺微機，可測定已有道路的線形參數(shù)，為道路管理系統(tǒng)服務。美國研制了應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)庫中包含有各種現(xiàn)時的數(shù)據(jù)資料，如道路的準確位置、路面狀況、沿路設施等，該系統(tǒng)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(tǒng)，其中車輛位置的實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(fā)射的信息，經(jīng)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(wǎng)中進行優(yōu)化計算，便可在道路電子地圖上顯示出到達目標的最優(yōu)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(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，因此，以空間衛(wèi)星上的精確時鐘為基礎，在地面監(jiān)測站的監(jiān)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(jù)國外資料顯示，還可利用GPS獲得氣象數(shù)據(jù)，為某些試驗和工程應用。 全球定位系統(tǒng)GPS是近年來開發(fā)的最具有開創(chuàng)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(yōu)勢必然會在諸多領域中得到越來越廣泛的應用。在發(fā)達國家，GPS技術已經(jīng)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(jīng)濟的發(fā)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(fā)揮更大的作用。
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