GPS電子地圖的建立及 GPS定位技術(shù)的應用

梁明亮 宋憲華

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學院 河南鄭州 450052)

一、GPS定位原理

GPS(Global Positioning System)即全球定位系統(tǒng),是由距離地球 2萬多公里的 24顆人造衛(wèi)星,基本均勻地分布在 6個軌道平面內(nèi)組成的衛(wèi)星網(wǎng)向地球不斷發(fā)射定位信號,用戶通過 GPS接收設(shè)備(接收機)接收 3顆或 3顆以上的 GPS衛(wèi)星信號,經(jīng)信號處理而獲得用戶位置、速度等信息,從而實現(xiàn)對目標進行準確定位的技術(shù)。

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)由以下三個子系統(tǒng)組成:

1.太空衛(wèi)星子系統(tǒng)。由 24顆繞極衛(wèi)星所組成,分成六個軌道,運行于約 20200公里的高空,繞行地球一周約 12小時。每個衛(wèi)星均持續(xù)著發(fā)射載有衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)及時間的無線電波,提供地球上的各種接收機來應用。

2.地面管制子系統(tǒng)。作用為為了追蹤及控制上述衛(wèi)星運轉(zhuǎn),負責修正與維護每個衛(wèi)星能保持正常運轉(zhuǎn)的各項參數(shù),以確保每個衛(wèi)星都能提供正確的訊息給接收機來接收。

3.接收子系統(tǒng)。即用戶接收設(shè)備,根據(jù)接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)信號,內(nèi)部的微處理計算機按定位解算方法進行定位計算,計算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件和機內(nèi)軟件以及 GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的 GPS用戶設(shè)備。接收機一般采用機內(nèi)和機外兩種直流電源。關(guān)機后,機內(nèi)電池作為 RAM存儲器供電,以防止數(shù)據(jù)丟失。目前各種類型的接收機體積越來越小,重量越來越輕,以便野外觀測使用。

二、GPS的基本應用原理

GPS的基本應用主要為定位和導航。GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)可應用于車輛監(jiān)控、調(diào)度和報警。在客車、貨車、公安、押運、危險品運輸?shù)溶囕v上安裝一套具有 GPS定位功能和通訊功能的車載 GPS終端,通過車載的手機卡發(fā)送短信或網(wǎng)絡(luò)(GPRS或 CDMA)信號到 GPS中心平臺,GPS中心平臺對接收到的信號進行存儲處理并發(fā)送到 GPS調(diào)度計算機,GPS調(diào)度計算機通過 GPS調(diào)度軟件或互聯(lián)網(wǎng)連接GPS中心平臺,查看車輛運行情況和軌跡,接受報警信號,并對車輛進行監(jiān)控調(diào)度和管理。車載 GPS系統(tǒng)的推廣應用極大地提高了運輸企業(yè)的科技管理水平。

由于衛(wèi)星是處在相當高的運行軌道上,其傳送的訊號較微弱,在使用時需注意:一是在室外及天空開闊度較佳的地方使用,若衛(wèi)星信號被建筑物、金屬遮蓋物、濃密樹林等所阻擋,接收機將無法獲得足夠的衛(wèi)星訊息來計算出所在位置的坐標;二是不能在具有 1.57GHz左右的強電波環(huán)境下使用,這樣易將衛(wèi)星訊號遮蓋掉,造成接收機無法獲得足夠的衛(wèi)星訊息。

利用 GPS所求出的定位數(shù)據(jù)可作各種交通工具的導航數(shù)據(jù)。接收機所計算出的任何時刻坐標數(shù)據(jù),稱為一個航點(WAYPOINT),即每個航點所表示的就是一個坐標值,把它儲存在接收機內(nèi),并編上一個名字,以供辨別。

由于在地球表面上的任何位置,都以不同的坐標值來表示,因此只要知道兩個不同航點的坐標數(shù)據(jù),接收機就可馬上計算出兩個航點間的直線距離、相對方位及航行速度,此為 GPS接收機導航數(shù)據(jù)的來源。要實現(xiàn) GPS導航,須事先將交通工具經(jīng)過的路段各點的坐標數(shù)據(jù)(利用地圖或查詢相關(guān)數(shù)據(jù))輸入 GPS接收機內(nèi),即建立航點數(shù)據(jù)或電子地圖。

三、GPS導航電子地圖的構(gòu)成

電子地圖是整個導航應用體系中的核心部分。通常電子地圖由記錄實際地物的地理數(shù)據(jù)和與實際地物相關(guān)的標識、整飾信息以及各類附加信息組成。電子地圖主要由道路形狀數(shù)據(jù)、背景數(shù)據(jù)、拓撲數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)構(gòu)成,它們之間緊密銜接,共同為車輛導航應用提供服務。

1.道路形狀數(shù)據(jù)。主要記錄與道路相關(guān)的精確地理位置、路面形狀、道路隔離帶、相應的附屬設(shè)施等。

2.背景數(shù)據(jù)。其既包括了植被、水系、行政區(qū)劃、面狀公共場所等現(xiàn)實意義上的背景信息,也包括各類與智能導航相關(guān)的實時交通信息。

3.拓撲數(shù)據(jù)。定義了電子地圖中各種地物間的相互關(guān)系,包括拓撲聯(lián)接、拓撲相鄰、拓撲包含等。

4.屬性數(shù)據(jù)。記錄各類地物除位置信息以外的數(shù)據(jù)。屬性中常包括名稱、地址、電話、網(wǎng)址等,或道路名稱、道面寬度、車道數(shù)據(jù)、通行級別等。

目前世界上最主要的導航電子數(shù)據(jù)標準/格式有以下幾種:

1.GDF格式。GDF(Geographical Data File)是歐洲交通網(wǎng)絡(luò)表達的空間數(shù)據(jù)標準,用于描述和傳遞與路網(wǎng)和道路相關(guān)的數(shù)據(jù)。

2.KIWI格式。是專門針對汽車導航的電子數(shù)據(jù)格式,旨在提供一種通用的電子地圖數(shù)據(jù)的存儲格式,以滿足嵌入式應用快速精確和高效的要求。

3.NavTech的數(shù)據(jù)格式。NavTech公司致力于生產(chǎn)大比例尺的道路網(wǎng)商用數(shù)據(jù),包括詳細的道路、道路附屬物、交通信息等,這些數(shù)據(jù)主要用于車輛導航應用。

四、GPS技術(shù)在鐵路運輸中的應用

GPS定位和導航是集 GIS、GPS、通信、嵌入式軟硬件技術(shù)為一體的高度綜合性的高技術(shù)產(chǎn)品。近年來,GPS導航技術(shù)在汽車中得到了廣泛的關(guān)注和應用。隨著中國經(jīng)濟快速、持續(xù)的發(fā)展,包括鐵路運輸業(yè)在內(nèi)的現(xiàn)代交通運輸呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展之勢,可以預計,在今后的一段時間內(nèi),GPS定位和導航必將在鐵路運輸中發(fā)揮越來越重要的作用。

1.在救援列車上的應用

在救援列車和機車上安裝 GPS“車載終端”后,當機車出現(xiàn)故障或發(fā)生事故后,將信息傳遞給調(diào)度中心或救援列車的 GPS監(jiān)控中心。計算機通過 GIS將事故列車和救援列車的實時位置顯示在電子地圖上,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,使救援工作準確及時。

2.在調(diào)度系統(tǒng)中的應用

傳統(tǒng)的鐵路行車指揮調(diào)度系統(tǒng)是通過司機與車站值班員、列車調(diào)度員三方通話確認列車運行位置、運行時間和運行速度。對列車運行的準確里程和速度,值班員和調(diào)度員不清楚,而且受到區(qū)段(距離)的極大限制。通過 GPS技術(shù)和機車上已有的無線列調(diào)、機車信號、監(jiān)控裝置、車號識別裝置,可以實時地將列車運行的時間、車次、機車號、運行區(qū)段(實時位置)、運行速度等信息傳遞到調(diào)度監(jiān)控中心,計算機通過 GIS將列車的各種狀態(tài)信息顯示在大屏幕上。這樣將大大提高調(diào)度系統(tǒng)的工作效率。

3.在鐵路物流管理中的作用

設(shè)想在全路推行機車車輛的 GPS信息動態(tài)管理系統(tǒng),通過 GPS和計算機網(wǎng)絡(luò)實時收集全路列車、機車、車輛、集裝箱及所運貨物的動態(tài)信息,實現(xiàn)列車及貨物的追蹤管理。只要知道貨車的車種、車型和車號,就可以立即從近 10萬 km的鐵路網(wǎng)上流動著的幾十萬輛貨車中找到該貨車,還能得知這輛貨車在何處運行或停在何處,以及所有的車載貨物發(fā)貨信息。這樣將大大提高路網(wǎng)及其運營的透明度,提高運輸效率。

[1]宋長峰,滕繼濤等.GPS/GLONASS定位仿真器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].北京航空航天大學學報,2004(9).

[2]魏東,劉曉輝.GPS衛(wèi)星導航接收機調(diào)試工藝技術(shù)研究[J].電子工藝技術(shù),2008(3).