摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和高等級(jí)公路的快速修建，GPS技術(shù)在道路工程和交通運(yùn)輸中的應(yīng)用也更加的廣泛和深入。本文筆者介紹了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS的原理及特點(diǎn)，詳細(xì)闡述了在交通運(yùn)輸中的應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：GPS技術(shù) 原理 交通運(yùn)輸

　　一、全球定位系統(tǒng)GPS及其原理介紹

　　GPS定義：利用衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)實(shí)時(shí)進(jìn)行定位、導(dǎo)航的系統(tǒng)，稱(chēng)為全球定位系統(tǒng)。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(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?xún)?yōu)勢(shì)的導(dǎo)航定位、定時(shí)、測(cè)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(hù)接收系統(tǒng)。

　　工作原理：24顆GPS衛(wèi)星在離地面1萬(wàn)2千公里的高空上，以12小時(shí)的周期環(huán)繞地球運(yùn)行，使得在任意時(shí)刻，在地面上的任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星。

　　由于衛(wèi)星的位置精確可知，在GPS觀測(cè)中，我們可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，利用三維坐標(biāo)中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個(gè)方程式，解出觀測(cè)點(diǎn)的位置(X,Y,Z)。考慮到衛(wèi)星的時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差，實(shí)際上有4個(gè)未知數(shù)，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛(wèi)星，形成4個(gè)方程式進(jìn)行求解，從而得到觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程。

　　事實(shí)上，接收機(jī)往往可以鎖住4顆以上的衛(wèi)星，這時(shí)，接收機(jī)可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過(guò)算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。

　　由于衛(wèi)星運(yùn)行軌道、衛(wèi)星時(shí)鐘存在誤差，大氣對(duì)流層、電離層對(duì)信號(hào)的影響，以及人為的SA保護(hù)政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。為提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技術(shù)，建立基準(zhǔn)站(差分臺(tái))進(jìn)行GPS觀測(cè)，利用已知的基準(zhǔn)站精確坐標(biāo)，與觀測(cè)值進(jìn)行比較，從而得出一修正數(shù)，并對(duì)外發(fā)布。接收機(jī)收到該修正數(shù)后，與自身的觀測(cè)值進(jìn)行比較，消去大部分誤差，得到一個(gè)比較準(zhǔn)確的位置。實(shí)驗(yàn)表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。

　　二、GPS系統(tǒng)及其特點(diǎn)

　　(1)、GPS系統(tǒng)分類(lèi)

　　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(gè)軌道平面上的24顆高軌道工作衛(wèi)星構(gòu)成，各軌道平面相對(duì)于赤道平面的傾角為55度，軌道平面間距60度。在每一軌道平面內(nèi)，各衛(wèi)星升交角距差90度，任一軌道上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30度。事實(shí)上，空間衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)量要超過(guò)24顆，以便及時(shí)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顆以上可視衛(wèi)星。

　　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(guó)本土和三大洋的美軍基地上的5個(gè)監(jiān)測(cè)站、一個(gè)主控站和三個(gè)注入站構(gòu)成。該系統(tǒng)的功能是：對(duì)空間衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制，并向每顆衛(wèi)星注入更新的導(dǎo)航電文。

　　3)用戶(hù)接收系統(tǒng)

　　用戶(hù)接收系統(tǒng)主要由以無(wú)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。

　　(2)、GPS系統(tǒng)特點(diǎn)

　　1)全球、全天候工作：能為用戶(hù)提供連續(xù)、實(shí)時(shí)的三維位置，三維速度和精密時(shí)間，幾乎不受天氣的影響。

　　2)定位精度高：?jiǎn)螜C(jī)定位精度優(yōu)于30 m,采用差分定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)和毫米級(jí)。

　　功能多，應(yīng)用廣：隨著人們對(duì)GPS認(rèn)識(shí)的加深，GPS不僅在測(cè)量、導(dǎo)航、測(cè)速、測(cè)時(shí)等方面得到更廣泛的應(yīng)用，而且其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。

　　3)觀測(cè)時(shí)間短：隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善，軟件的不斷更新，目前，20KM以?xún)?nèi)相對(duì)靜態(tài)定位，僅需15-20分鐘;快速靜態(tài)相對(duì)定位測(cè)量時(shí)，當(dāng)每個(gè)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站相距在15KM以?xún)?nèi)時(shí)，流動(dòng)站觀測(cè)時(shí)間只需1-2分鐘，然后可隨時(shí)定位，每站觀測(cè)只需幾秒鐘。

　　三、GPS定位的基本方法

　　GPS技術(shù)按待定點(diǎn)的狀態(tài)分為靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位兩大類(lèi)。靜態(tài)定位是指待定點(diǎn)的位置在觀測(cè)過(guò)程中固定不變的，如GPS在大地測(cè)量中的應(yīng)用。動(dòng)態(tài)定位是指待定點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)載體上，在觀測(cè)過(guò)程中是變化的，如GPS在車(chē)船導(dǎo)航中的應(yīng)用。靜態(tài)相對(duì)定位的精度一般在幾毫米到幾厘米范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)相對(duì)定位的精度一般在幾厘米到幾米范圍內(nèi)。對(duì)GPS信號(hào)的處理從時(shí)間上劃分為實(shí)時(shí)處理及后處理。實(shí)時(shí)處理就是一邊接收衛(wèi)星信號(hào)一邊進(jìn)行計(jì)算，獲得目前所處的位置、速度及時(shí)間等信息;后處理是指把衛(wèi)星信號(hào)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(lái)說(shuō)，靜態(tài)定位用戶(hù)多采用后處理，動(dòng)態(tài)定位用戶(hù)采用實(shí)時(shí)處理或后處理。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。

　　四、GPS在交通運(yùn)輸中的應(yīng)用

　　(1)、GPS在道路工程中的應(yīng)用

　　GPS在道路工程中的應(yīng)用，目前主要是用于建立各種道路工程控制網(wǎng)及測(cè)定航測(cè)外控點(diǎn)等。隨著高等級(jí)公路的迅速發(fā)展，對(duì)勘測(cè)技術(shù)提出了更高的要求，由于線路長(zhǎng)，已知點(diǎn)少，因此，用常規(guī)測(cè)量手段不僅布網(wǎng)困難，麗且難以滿(mǎn)足高精度的要求。目前，國(guó)內(nèi)已逐步采用GPS技術(shù)建立線路首級(jí)高精度控制網(wǎng)，如滬杭、甬金等高速公路都是利用GPS建立了首級(jí)控制闋，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2 cm左右，達(dá)到了常規(guī)方法難以實(shí)現(xiàn)的精度，充分利用GPS接收機(jī)的快速靜態(tài)定位功能，可以快速、高精度的建立數(shù)百公里的高速公路控制網(wǎng)，節(jié)省了大量的人力物力，同時(shí)也大大提前了測(cè)繪工期。由于無(wú)需通視，可構(gòu)成較強(qiáng)的網(wǎng)形，提高點(diǎn)位精度，同時(shí)對(duì)檢測(cè)常規(guī)測(cè)量的支點(diǎn)也非常有效，因此GPS技術(shù)也同樣應(yīng)用于特大橋梁的控制測(cè)量中。GPS技術(shù)在隧道測(cè)量中具有廣泛的應(yīng)用前景.GPS測(cè)跫無(wú)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(huì)效益。

　　(2)、GPS在汽車(chē)導(dǎo)航和交通管理中的應(yīng)用

　　1)車(chē)輛跟蹤

　　利用GPS和電子地圖可以實(shí)時(shí)顯示出車(chē)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(dòng)，使目標(biāo)始終保持在屏幕上;還可實(shí)現(xiàn)多窗口、多車(chē)輛、多屏幕同時(shí)跟蹤。利用該功能可對(duì)重要車(chē)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(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)的一項(xiàng)重要輔助功能，它包括自動(dòng)線路規(guī)劃和人工線路設(shè)計(jì)。自動(dòng)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(dòng)設(shè)計(jì)最佳行駛路線，包括最快的路線、最簡(jiǎn)單的路線、通過(guò)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(dòng)建立線路庫(kù)。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(shí)顯示汽車(chē)運(yùn)行路徑和運(yùn)行方法。

　　3)信息查詢(xún)

　　為用戶(hù)提供主要物標(biāo)，如旅游景點(diǎn)、賓館、醫(yī)院等數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶(hù)能夠在電子地圖上根據(jù)需要進(jìn)行查詢(xún)。查詢(xún)資料可以文字、語(yǔ)言及圖象的形式顯示，并在電子地圖上顯示其位置。同時(shí)，監(jiān)測(cè)中心可以利用監(jiān)測(cè)控制臺(tái)對(duì)區(qū)域內(nèi)的任意目標(biāo)所在位置進(jìn)行查詢(xún)，車(chē)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(lái)。

　　4)話務(wù)指揮

　　指揮中心可以監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)車(chē)輛運(yùn)行狀況，對(duì)被監(jiān)控車(chē)輛進(jìn)行合理調(diào)度。指揮中心也可隨時(shí)與被跟蹤目標(biāo)通話，實(shí)行管理。

　　5)緊急援助

　　通過(guò)GPS定位和監(jiān)控管理系統(tǒng)可以對(duì)遇有險(xiǎn)情或發(fā)生事故的車(chē)輛進(jìn)行緊急援助。監(jiān)控臺(tái)的電子地圖顯示求助信息和報(bào)警目標(biāo)，規(guī)劃最優(yōu)援助方案，并以報(bào)警聲光提醒值班人員進(jìn)行應(yīng)急處理。

　　6) 自動(dòng)導(dǎo)航

　　語(yǔ)音導(dǎo)航;畫(huà)面導(dǎo)航;重新規(guī)劃線路。

　　結(jié)語(yǔ)

　　伴隨全球經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，GPS民用信號(hào)精度將在全球范圍內(nèi)得到不斷完善與提高。可見(jiàn)，在我國(guó)，GPS技術(shù)的應(yīng)用前景將更為廣泛。

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