全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS在汽車運輸中的應(yīng)用

賈鈺

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS在汽車運輸中的應(yīng)用

賈鈺

（白銀有色集團股份有限公司西北鉛鋅冶煉廠，甘肅白銀730900）

隨著公路交通運輸業(yè)的發(fā)展和汽車保有量的逐年增加，公路交通運輸為產(chǎn)品運輸帶來了極大的方便，同時運輸車輛的運行給道路交通管理也帶來一定的壓力，對交通運輸企業(yè)以及企業(yè)運輸車隊來講，也容易導致運營效率不高、車輛運行成本增加、甚至在運輸途中造成貨物的丟失、發(fā)生交通事故、車輛發(fā)生故障造成產(chǎn)品運輸延誤等問題。GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)所具備的各項功能，有助于在解決上述問題上為我們提供方便，本文主要從GPS全球定位系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)原理和其三大子系統(tǒng)做一介紹，并著重介紹了GPS系統(tǒng)在汽車交通運輸過程中的應(yīng)用，以期望進一步應(yīng)用全球定位系統(tǒng)來提高道路交通運輸效率。

定位系統(tǒng)；汽車運輸；GPS

1　GPS全球定位系統(tǒng)簡介

GPS全球定位系統(tǒng)是美國三大空間技術(shù)之一，是航天技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)的結(jié)晶，其主要應(yīng)用導航衛(wèi)星測時和測距。GPS全球定位系統(tǒng)是由覆蓋全球的24顆衛(wèi)星組成的組合系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的主要功用是保證人們在任意時刻，在全球上任意地點、觀測角在5°～10°時，至少有4顆衛(wèi)星為導航使用者提供數(shù)據(jù)，保證衛(wèi)星采集到導航使用者所在地點的經(jīng)緯度和高度的數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)的運算和使用，實現(xiàn)定位導航等功能。GPS全球定位系統(tǒng)是20世紀70年代由美國三軍聯(lián)合研制的新一代新型空間衛(wèi)星系統(tǒng)，是美軍研制開發(fā)的一種“子午儀”衛(wèi)星導航系統(tǒng)技術(shù)上的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其主要功用是為軍隊提供服務(wù)，并用于監(jiān)測和應(yīng)急通訊等，現(xiàn)在也使用于民用。為保障定位系統(tǒng)的可靠地工作，實際上的GPS全球定位系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)量多于24顆，主要目的是防止由于衛(wèi)星老化或損壞，造成可見衛(wèi)星減少，影響數(shù)據(jù)的采集。

2　GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成

GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分—GPS星座、地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng)、用戶設(shè)備部分—GPS信號接收機。

2.1空間部分

GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的空間部分包括21顆衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成，這些衛(wèi)星均勻分布在軌道傾角為55°的6個軌道上，軌道平面之間相距60°，衛(wèi)星軌道高度距離地面20200km。衛(wèi)星向地面發(fā)射信號包括載波、測距碼和數(shù)據(jù)碼，其中載波信號采用1575MHz和1227.6MHz兩個頻率發(fā)送，測距碼分為粗碼提供給民間用戶和精碼提供給軍方使用，數(shù)據(jù)碼包括遙測碼、轉(zhuǎn)換碼和原子鐘，衛(wèi)星的分布可以使全球多用戶，在任意地方、任意時間都可以利用不少于4顆衛(wèi)星，最多可達12顆，全天候、連續(xù)、實時為用戶提供三維測速、定位和授時，用戶由接收機解算出在地球上的位置、速度和當前的時間。

2.2地面監(jiān)控系統(tǒng)

GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的地面控制部分包括1個主控站，3個注入站和5個全球監(jiān)測站組成。地面監(jiān)控系統(tǒng)主要以電文的形式，提供每顆衛(wèi)星所播發(fā)的星歷，星歷是指衛(wèi)星的運動和軌跡參數(shù)。無人值守的監(jiān)測站的主要任務(wù)是對每個衛(wèi)星觀測到的數(shù)據(jù)提供給主控站。主控站擁有大型的計算機進行各監(jiān)測站數(shù)據(jù)采集、通過計算編輯導航電文、對整個地面支撐系統(tǒng)進行控制和協(xié)調(diào)，及時調(diào)整衛(wèi)星軌道和姿態(tài)，然后將結(jié)果送到3個地面控制站。監(jiān)控站將衛(wèi)星電文注入觀測到的衛(wèi)星、由GPS衛(wèi)星將信息發(fā)送給用戶。如果有地面站發(fā)生故障，衛(wèi)星中預(yù)存的導航信息還可以在一段時間內(nèi)任提供導航數(shù)據(jù)，但導航精度會逐漸降低。

2.3用戶接收系統(tǒng)

用戶接收系統(tǒng)包括電源、天線、接收機、微處理器、顯示設(shè)備等軟硬件，也稱為用戶接收機。GPS衛(wèi)星接收天線能在衛(wèi)星升起時捕獲、跟蹤衛(wèi)星。接收機能夠接受記錄GPS信號，還原導航電文，計算信號站之間的傳播時間和載波相位差，獲得定位、測速、定時的數(shù)據(jù)。微處理器是接收機的核心部件，進行整個系統(tǒng)的管理和控制工作，并對數(shù)據(jù)進行實時處理。視頻監(jiān)控器是人機交流的部件。接收機一般用蓄電池做電源，采用機內(nèi)和機外兩種直流電源，設(shè)置機內(nèi)電源的目的在于更換外電源時不中斷連續(xù)觀測。關(guān)機后為RAM存儲器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。

3　GPS定位的基本方法

GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)采用空間被動式測量原理，它是在監(jiān)測站上安置全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)用戶接收系統(tǒng)，以各種方式接收衛(wèi)星發(fā)送的各類信號，由計算機運算出監(jiān)測站和衛(wèi)星之間的關(guān)系和監(jiān)測站的三維坐標。GPS定位的方法主要有以下幾種形式：

3.1偽距測量

偽距測量是在定位系統(tǒng)進行導航和定位時，用通信衛(wèi)星發(fā)播的偽隨機碼與用戶接收系統(tǒng)接收機復制碼的相關(guān)技術(shù)，測定監(jiān)測站到衛(wèi)星之間的距離的技術(shù)和方法。測得的距離含有時鐘誤差和大氣層折射延遲，不是真實的距離，因此稱為偽距。偽距測量一般用于用戶接收機固定在地面監(jiān)測站上的靜態(tài)定位，也可用于接收機固定于運動載體上的動態(tài)定位，但固定于運動載體上的定位精度較低，一般用于精度要求不高的導航。

3.2載波相位測量

利用接收機測定載波相位觀測值，經(jīng)運算獲得兩個同步觀測站之間的基線向量坐標差的技術(shù)和方法?？捎糜谳^精密的絕對定位和高精度的相對定位。

3.3多普勒測量

通過接收機測定衛(wèi)星發(fā)播信號的多普勒頻移或多普勒計數(shù)，確定監(jiān)測站到衛(wèi)星的距離變化率，或者檢測監(jiān)測站到衛(wèi)星相鄰兩點間的距離差，以此確定監(jiān)測站的三維坐標或兩點的坐標差的技術(shù)和方法。其原理是利用多普勒頻移與信號源和接收機的相對位移關(guān)系，獲得信號源與接收機的相對位移，達到對監(jiān)測站定位和導航的目的。

3.4衛(wèi)星射電干涉測量

利用基線兩端的射電望遠鏡，以獨立的時間標準同時接收同一個射電源信號，并記錄于磁帶上，然后將兩磁帶的記錄一起送入處理機作相關(guān)處理，求出兩相同信號到達基線兩端的時刻之差和相對時延變化率，即是觀測量。

為了精密定位GPS接收機往往不是采用一種測量方式，是以某種方式為主輔以其他方法。

4　GPS在汽車導航和交通管理中的應(yīng)用

汽車導航系統(tǒng)是在GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。汽車導航系統(tǒng)是由GPS、車載部分、主控中心等組成。主控中心由電臺、調(diào)制解調(diào)器、電子地圖和計算機系統(tǒng)組成，電臺接收汽車的位置信息和反控汽車，調(diào)制解調(diào)器給反控命令和信息的轉(zhuǎn)換，計算機系統(tǒng)接受汽車位置信號并進行預(yù)處理，按協(xié)議將信息送到工作站，工作站根據(jù)相關(guān)信息在地圖數(shù)據(jù)上顯示汽車位置。

GPS接收機接受衛(wèi)星信號，求出汽車所在的位置的坐標、速度、時間等信息。當汽車行駛到地下隧道、高層樓群等遮掩物后，GPS衛(wèi)星搜索不到信號時，導航系統(tǒng)會自動導入自律導航系統(tǒng)，這時由車速傳感器檢測出車速脈沖，檢測出汽車的實際行駛速度，通過微處理單元對數(shù)據(jù)處理，以速度和時間計算出距離，陀螺傳感器檢測汽車前進的方向和行駛狀況，自動存儲各種數(shù)據(jù)，并通過計算機運算出由曲線距離和衛(wèi)星坐標誤差產(chǎn)生的汽車位置誤差。？GPS衛(wèi)星導航和自律導航測到的汽車位置坐標數(shù)據(jù)、方向與實際行駛的路線軌跡，一般存在一定差異，為保證汽車行駛軌跡與地圖上的路線統(tǒng)一，必須采用地圖匹配技術(shù)，對汽車行駛的實際路線和電子地圖上顯示的誤差進行匹配和自動修正，以顯示汽車在電子地圖上的準確位置，給汽車指示出準確行駛路線。

GPS導航系統(tǒng)與電子地圖、無線電通信網(wǎng)絡(luò)和計算機車輛管理信息系統(tǒng)相結(jié)合在一起，可實現(xiàn)對車輛跟蹤與交通管理等功能，這些功能主要包括以下幾個方面

4.1跟蹤車輛

駕駛員通過車載GPS接收機隨時確定自己的具體位置。通過車載電臺自動將定位信息傳輸給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心及時掌握車輛的具體位置信息，并通過電子地圖，顯示出車輛的具體位置。監(jiān)控中心還可以實現(xiàn)多窗口、多車輛、多屏幕同時跟蹤?？蓪χ攸c車輛、重點貨物進行跟蹤運輸，對促進交通管理質(zhì)量的提高和交通運輸業(yè)的快速發(fā)展起到積極的作用。

4.2話務(wù)指揮

監(jiān)控中心監(jiān)測車輛運行狀況，對被監(jiān)控車輛進行監(jiān)控和合理的調(diào)度。還能隨時與被監(jiān)控車輛駕駛?cè)藛T進行實時通話管理。

4.3緊急援助

通過GPS定位及監(jiān)控管理系統(tǒng)能夠在車輛發(fā)生事故或及時掌握遇有險情的車輛的信息，通過電子地圖，監(jiān)控中心合理利用就近資源，規(guī)劃最優(yōu)救助方案，進行合理有效的緊急援助。

4.4信息查詢

車輛運行的信息以數(shù)字形式在監(jiān)控中心的電子地圖上顯示出來，用戶可以在電子地圖上根據(jù)需要進行查詢相應(yīng)的物標，物標資料可以以文字、語言和圖像的形式在電子地圖上顯示，同時可對區(qū)域內(nèi)的任意目標的位置進行查詢。

4.5出行路線規(guī)劃和導航

汽車導航系統(tǒng)的一項重要輔助功能是提供出行路線規(guī)劃，包括人工線路規(guī)劃和自動線路規(guī)劃。人工線路規(guī)劃是由駕駛員根據(jù)自己需要，設(shè)計起點、終點和途經(jīng)點等。自動線路規(guī)劃是由駕駛員確定起點和目的地，由計算機自動設(shè)計最佳行駛路線，顯示器在電子地圖上顯示設(shè)計線路，并顯示汽車運行路徑與運行方法。

GPS全球定位系統(tǒng)是近年來開發(fā)的、最具有創(chuàng)新意義的高新技術(shù)成果之一，在諸多領(lǐng)域中的應(yīng)用得到越來越廣泛。發(fā)達國家中，GPS技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于交通運輸和道路工程之中。目前，我國道路工程和交通管理中的應(yīng)用還剛剛起步，但我國的“北斗”導航衛(wèi)星系統(tǒng)取得了令人矚目的成果，填補了國內(nèi)外不少的空白，在交通運輸領(lǐng)域中獲得全方位應(yīng)用。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和高等級公路的不斷完善，GPS全球定位系統(tǒng)在交通管理和道路工程中將發(fā)揮更大的作用。

［1］ 李麗娟.基于組件式GIS與多媒體技術(shù)的旅游導航系統(tǒng)的應(yīng)用與研究［M］.北京：北方民族大學，2009.

［2］ 魯植雄，趙英蘭.汽車多媒體和導航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理與維修［M］.南京：江蘇科技大學出版社，2007.

［3］ 殷雋.車載多媒體系統(tǒng)設(shè)計與研究［M］.武漢：武漢科技大學，2013.

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