全球定位系统GPS介绍及其在交通运输中的应用

随着科学技术的发展和高等级公路的快速修建，GPS技术在道路工程和交通运输中的应用也更加的广泛和深入。本文笔者介绍了全球卫星定位系统GPS的原理及特点，详细阐述了在交通运输中的应用。

一、全球定位系统GPS及其原理介绍

GPS定义：利用卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统，称为全球定位系统。全球卫星定位系统GPS是美军70年代初在“子午仪卫星导航定位”技术上发展而起的具有全球性、全能性(陆地、海洋、航空与航天)、全天候性优势的导航定位、定时、测速系统。GPS由三大子系统构成：空间卫星系统、地面监控系统、用户接收系统。

工作原理：24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。

由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。

事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。

由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。为提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技术，建立基准站(差分台)进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。

二、GPS系统及其特点

(1)、GPS系统分类

1)空间卫星系统 空间卫星系统由均匀分布在6个轨道平面上的24颗高轨道工作卫星构成，各轨道平面相对于赤道平面的倾角为55度，轨道平面间距60度。在每一轨道平面内，各卫星升交角距差90度，任一轨道上的卫星比西边相邻轨道上的相应卫星超前30度。事实上，空间卫星系统的卫星数量要超过24颗，以便及时更换老化或损坏的卫星，保障系统正常工作。该卫星系统能够保证在地球的任一地点向使用者提供4颗以上可视卫星。

2)地面监控系统 地面监控系统由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的5个监测站、一个主控站和三个注入站构成。该系统的功能是：对空间卫星系统进行监测、控制，并向每颗卫星注入更新的导航电文。

3)用户接收系统 用户接收系统主要由以无线电传感和计算机技术支撑的GPS卫星接收机和GPS数据处理软件构成。(2)、GPS系统特点1)全球、全天候工作：能为用户提供连续、实时的三维位置，三维速度和精密时间，几乎不受天气的影响。

2)定位精度高：单机定位精度优于30 m,采用差分定位精度可以达到厘米级和毫米级。

功能多，应用广：随着人们对GPS认识的加深，GPS不仅在测量、导航、测速、测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大。

3)观测时间短：随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内相对静态定位，仅需15-20分钟;快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。

三、GPS定位的基本方法

GPS技术按待定点的状态分为静态定位和动态定位两大类。静态定位是指待定点的位置在观测过程中固定不变的，如GPS在大地测量中的应用。动态定位是指待定点在运动载体上，在观测过程中是变化的，如GPS在车船导航中的应用。静态相对定位的精度一般在几毫米到几厘米范围内，动态相对定位的精度一般在几厘米到几米范围内。对GPS信号的处理从时间上划分为实时处理及后处理。实时处理就是一边接收卫星信号一边进行计算，获得目前所处的位置、速度及时间等信息;后处理是指把卫星信号记录在一定的介质上，回到室内统一进行数据处理。一般来说，静态定位用户多采用后处理，动态定位用户采用实时处理或后处理。目前，全球定位系统已广泛应用于民用等众多领域中。

四、GPS在交通运输中的应用

(1)、GPS在道路工程中的应用

GPS在道路工程中的应用，目前主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等。随着高等级公路的迅速发展，对勘测技术提出了更高的要求，由于线路长，已知点少，因此，用常规测量手段不仅布网困难，丽且难以满足高精度的要求。目前，国内已逐步采用GPS技术建立线路首级高精度控制网，如沪杭、甬金等高速公路都是利用GPS建立了首级控制阕，然后用常规方法布设导线加密。实践证明，在几十公里范围内的点位误差只有2 cm左右，达到了常规方法难以实现的精度，充分利用GPS接收机的快速静态定位功能，可以快速、高精度的建立数百公里的高速公路控制网，节省了大量的人力物力，同时也大大提前了测绘工期。由于无需通视，可构成较强的网形，提高点位精度，同时对检测常规测量的支点也非常有效，因此GPS技术也同样应用于特大桥梁的控制测量中。GPS技术在隧道测量中具有广泛的应用前景.GPS测跫无需通视，减少了常规方法的中间环节，因此，速度快、精度高，具有明显的经济和社会效益。

(2)、GPS在汽车导航和交通管理中的应用

1)车辆跟踪 利用GPS和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置，并任意放大、缩小、还原、换图;可以随目标移动，使目标始终保持在屏幕上;还可实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪。利用该功能可对重要车辆和货物进行跟踪运输。2)提供出行路线规划和导航 提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要辅助功能，它包括自动线路规划和人工线路设计。自动线路规划是由驾驶者确定起点和目的地，由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线，包括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的路线等的计算。人工线路设计是由驾驶者根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等，自动建立线路库。线路规划完毕后，显示器能够在电子地图上显示设计线路，并同时显示汽车运行路径和运行方法。3)信息查询 为用户提供主要物标，如旅游景点、宾馆、医院等数据库，用户能够在电子地图上根据需要进行查询。查询资料可以文字、语言及图象的形式显示，并在电子地图上显示其位置。同时，监测中心可以利用监测控制台对区域内的任意目标所在位置进行查询，车辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图上显示出来。4)话务指挥指挥中心可以监测区域内车辆运行状况，对被监控车辆进行合理调度。指挥中心也可随时与被跟踪目标通话，实行管理。5)紧急援助通过GPS定位和监控管理系统可以对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急援助。监控台的电子地图显示求助信息和报警目标，规划最优援助方案，并以报警声光提醒值班人员进行应急处理。处理。