GPS在现代交通运输中应用Word文档下载推荐.docx
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GPS是一项高科技成果，美国在海湾战争中有效地应用了这一技术，在“沙漠风暴”行动中，美军和多国部队在轰炸机、战斗机、直升机远程陆地攻击导弹、战车、坦克上装备了7000台GPS接收机，大大提高了攻击目标的精确度和协同作战能力。
海湾战争以后，GPS系统普遍被各国所重视，并已开始由单一的军事用途转向商业开发与应用。
GPS系统由空间星座、用户接收设备、无线数据通讯设备及地面监视控制设备四部分组成。
空间星座是由美国发射的、运行在2.2万km上空六条准同步轨道上的24颗卫星，它可以覆盖全球，由这24颗卫星发出可供全球、全天候、三维立体、实时边疆和高精度的卫星导航定位信号。
用户接收设备只需要接到24颗卫星中的其中三颗卫星信号，就能够确定接收机所处位置的准确数据，这些数据信息通过无线数据传输系统传送到控制指挥中心，由控制指挥中心的设备进行数据分析与处理，并通过中心系统配置的地理信息系统和高分辨率电子显示器，将用户接收机的实时位置显示在电子地图上。
用户的GPS接收设备通过接收所在区域能够收到的卫星的信号，从而得到这些卫星与GPS接收设备之间的距离，由于卫星发出的信号中已经给出了当时卫星的准确位置，因而GPS接收设备即可计算出自身的位置，此即GPS的定位原理。
目前，商业拥护的定位精度一般只能保证误差小于15m。
如要提高定位精度，则需采用差分技术，具体方法为：
在某一固定地点，设立固定基站，基站通过GPS接收机计算出自身的位置。
由于卫星位置信息的不准确性，将导致基站计算出的自身位置与真实位置之间有一定的偏差。
这一偏差，反映了卫星位置的偏差。
移动系统GPS在数据处理时，利用此偏差信息，消除卫星位置不准确性带来的误差，从而提高商业用户定位精度，能够达到2m-5m。
2.2全球卫星定位导航系统发展现状
当前，世界上正在运行的全球卫星定位导航系统主要有两大系统：
一是美国的GPS系统，二是俄罗斯的GLONASS（格鲁纳斯）系统。
近年来，欧盟也提出了有自己特色的“伽利略”全球卫星定位计划。
因此，未来密布在太空的全球卫星定位系统将形成美、俄、欧操纵的GPS、“格鲁纳斯”、“伽利略”三大系统相互竞争的局面。
而我国的“北斗一代”导航系统则是世界上第一个区域性卫星导航系统。
2.2.1俄罗斯的GLONASS系统
俄罗斯的GLONASS卫星定位系统于1995年建成，由24颗卫星组成，耗资30多亿美元，军民两用，拥有24颗中高度圆轨道卫星加1颗备用卫星组网。
每颗卫星都在1.91万km高的轨道上运行，周期为11.25h。
因GLONASS卫星星座一直处于降效运行状态，精度要比GPS系统的精度低。
为此，俄罗斯正在着手对GLONASS进行现代化改造，2007年使“格洛纳斯”系统的工作卫星数量达到了18颗，开始发挥导航定位功能。
整个系统改造按计划于2010年完成。
届时，该系统导航范围可覆盖整个地球表面和近地空间，定位精度可达1m，用户将可以不间断地获得相关物体的准确坐标信息。
军事专家指出，无论是对付国家导弹防御系统，还是打“太空战”，该系统都是俄手中的“王牌”之一。
2.2.2美国的GPS系统
美国的GPS卫星定位系统由美国国防部于1973年开始设计、研制，1993年全部建成。
GPS系统耗资200多亿美元，初始作用是为美军在全球的舰船、飞机导航并指挥陆军作战。
该系统由24颗卫星组成，每台GPS接收机无论在何时何地都可以同时接收到最少4颗GPS卫星发送的空间轨道信息，通过对定位信息的解算便可确定该接收机的位置，从而提供高精度的三维（经度、纬度、高度）定位导航信息。
1994年，美国宣布在10年内向全世界免费提供GPS全球定位系统的使用权，但至今美国只向外国提供低精度的卫星信号，精确度约为10m。
据悉，美国目前正在设计试验新的第二代工作卫星改进系统，计划发射20颗卫星，定位精度计划达到1mm。
2.2.3欧洲的“伽利略”系统
欧洲于1999年提出“伽利略计划”，2002年3月26日，欧盟15国交通部长会议一致决定，正式启动伽利略导航卫星计划，计划投资36亿欧元，向高度为2.4万km的太空发射30颗卫星，组成“伽利略”卫星定位系统。
2004年10月9日，中欧伽利略计划技术合作协议在北京正式签署，中国将投入2.3亿欧元，加入“伽利略计划”的研制。
伽利略系统的典型功能是信号中继，即向用户接收机的数据传输可以通过一种特殊的联系方式或其他系统的中继来实现，例如通过移动通信网来实现。
通过“伽利略”，汽车和火车可以在没有司机的情况下自动行驶，如果汽车司机想休息一下或浏览一下当天的报纸，那么，只要他打开自动驾驶仪，汽车就可以自动行驶，自动避让障碍物或超车；
飞机能在任何情况下，在任何机场安全降落；
轮船即使在大雾中也可以安全航行；
等等。
有人称，如果说通过GPS只能找到街道的话，那么利用“伽利略”则能找到车库的门。
伽利略除了能提供精确的定位信号外，还可以提供移动电话业务服务，用于救生行动，如接收失事飞机的求救信号后，快速通知附近的救援部门。
据称，这些是GPS还无法实现的。
该系统将主要服务于民用，提供误差不超过1m的精确定位服务。
而美国的GPS只为自己（尤其是军方）提供高精度定位，对其他用户只提供低精度的定位服务，而且美国随时可以关闭这种服务（特别是在战时）。
伽利略是完全提供给民用的，定位精度比美国提供的高，不会无故关闭服务。
毫无疑问，伽利略目前是GPS的最强有力竞争对手。
2.2.4中国的北斗导航系统
1994年我国开始建设“北斗一代”卫星导航定位系统。
随着2000年10月31日、12月21日和2003年5月25日三颗“北斗”导航卫星的相继发射成功，我国建立了第一代区域性导航定位卫星系统，成为继美国、俄罗斯之后，世界上第三个拥有卫星导航系统的国家。
我国的“北斗一代”导航系统综合了传统天文导航定位及地面无线电导航定位的优点，相当于一个设置在太空的无线电导航台，可在任何地点、任何时间为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度，是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域性导航系统。
该系统主要为公路交通、海上作业、铁路运输等领域提供导航服务，还可以为灾害预报、森林防火以及气象、石油、海洋、通信、公安等特殊行业提供高效的导航定位服务，能基本满足当前我国陆、海、空运输导航定位的需求，可以说是一个成功的、实用的、投资很少的初级起步系统，对我国经济建设起到了积极的推动作用。
但是，“北斗一代”导航系统还仅仅是一个自主简易的导航系统，随着我国经济、国防建设的发展对导航定位的信息支持要求越来越高，这个投资很少的初级系统，尚不能满足我国今后对卫星导航系统进一步发展的需求，而且还不能与国际上的GPS、GLONASS及欧洲伽利略系统兼容。
因此，为了迎接挑战，必须积极借鉴国外GPS、GLONASS的成功经验，进一步发展第二代性能更高的卫星导航系统。
目前我国的“北斗二代”卫星导航系统已基本研制成功，即将发射升空，性能不比美国目前的GPS差。
“北斗二代”导航系统计划包括4颗静止星、12颗中轨星和9颗高轨星。
计划在2008年左右覆盖中国及周边地区，2010年实现全球精确覆盖，到那时我国将拥有真正意义上自己的全球卫星定位系统。
2.3GPS测量的基本原理
2.3.1按量测信号不同分为伪距测量及载波相位测量
1.伪距测量:
是以测距码为量测信号,卫星依据自己的时钟发出某一结构的测距码,测距码经过⊿t时间到达接收机,接收机在自己的时钟控制下产生一组与卫星测距码结构完全相同的复制码,通过时间延迟t复制码与来自卫星的测距码完全对齐,时间t即为卫星信号的传播时间,t乘以光速c即为GPS卫星与测站之间的距离。
由于卫星信号在大气中传播要受到电离层及对流层的影响,传播速度不完全等于c,卫星钟与接收机钟也不完全同步,因而伪距测量的观测方程为:
[（Xsi-X）2+（Ysi-Y）2+（Zsi-Z）2]1/2-cVTb=ρi+（δρi）ion+（δρi）trop-cVtia
式中:
Xsi、Ysi、Zsi为第i颗卫星的坐标
X、Y、Z为测站点坐标
Vtia是第i个卫星在信号瞬间的钟改正数
VTb为接收机钟改正数
（δρi）ion为电离层折射改正数
（δρi）trop为对流层折射改正数
上式中卫星坐标、电离层改正、对流层改正可依据卫星导航电文及相关改正公式求得,认为已知。
卫星钟为稳定度特别好的原子钟,钟改正数可根据卫星导航电文中给出的系数求出。
由于接收机钟仅为质量一般的石英钟,因而将接收机钟作为未知数。
上式中包括站点坐标在内共有四个未知数,因而在任何观测瞬间用户至少需要同时测定至四颗卫星的距离。
2.载波相位测量:
伪距测量是以测距码为量测信号,由于码元长度较长,量侧的精度大约为一个码元长度的百万分之一,对P码量测精度约为30cm,对C/A码量测精度约为3m,精度不高。
将GPS信号和导航电文调制在波长很短的载波上,以载波作为量测信号,对载波进行相位测量,可以达到很高的精度。
载波相位测量的实际观观测值为接收机产生的频率和初相与卫星载波信号完全相同的基准信号与接收机接收到的卫星载波信号的相位之差,但由于载波信号为一种单纯的余弦波,因而实际量测值仅为不足一周的部分Fr（φ）。
载波相位测量中首次测量包含一个整周未知数N0,站星距离即为ρ=λ（N0+Fr（φ））。
j接收机跟踪住卫星信号进行首次测量之后,进行的各次载波相位测量量测值不仅包含了不足一周的部分Fr（φ）,而且还还包含了整周数int（φ）。
整周数int（φ）可由一个计数器连续计数而成,从上面论述而知,如果接收机连续跟踪卫星信号,各次载波相位测量的整周未知数N0是相同的,只需在观测方程中将其视为未知数即可。
但在实际观测中,由于某种原因常使接收卫星信号暂时中断,此时计数器计数不连续,此种现象称为整周跳变。
整周跳变是载波相位测量数据处理中的的关键问题。
载波相位测量的观测方程为:
φ=f/c（ρ（Tb-Δt）+ρvTb-δρion-δρtrop）+fVTb-fVTa-N0
φ为载波相位测量的实际观测值;
f为载波频率;
ρ（Tb-Δt）为Ta时刻卫星至Tb时刻接收机天线的相位中心的几何距离,包含测站坐标未知数X、Y、Z;
ρvTb为星站距离改正数;
δρion为电离层折射改正数;
δρtrop为对流层折射改正数;
fVTb为接收机钟差相位改正数;
fVTa为卫星钟钟差相位改正数;
N0为整周未知数。
载波相位测量同伪距测量一样,信号在大气中传播受敌电离层及对流层的影响。
2.3.2GPS测量按定位方式分为单点定位和相对定位
单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式,它只能采用伪距观测量。
由于单点定位受卫星星历误差及信号传播过程中大气误差的影响比较显著,定位精度比较低。
相对定位是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法。
它既可采用伪距观测量也可采用载波相位观测量。
由于对各同步测站来讲,卫星钟误差、卫星星历误差、大气传播误差等大体相同,在相对定位中可以减弱或消除这些误差的影响,从而获取较高的定位精度。
相对定位广泛用于大地测量、工程测量、地壳形变监测等领域。
为了更好的提高精度,GPS数据中引入了差分的概念。
所谓差分即在观测方程间做差,通过做差消除一些相同的误差影响,差分可在接收机间求差、卫星间求差、历元间求差。
差分计算可提高相对定位的精度,但并不同提高绝对定位的精度。
3GPS在交通运输中的应用
3.1GPS在道路工程中的应用
在道路工程建设中，GPS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。
随着高等级公路的快速发展，对勘测技术也提出了更高的要求。
由于公路线路长，已知点少，用常规测量手段不仅布网困难，而且难以满足高精度的要求。
当前，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、沪宁高速公路的上海段就是利用GPS建立了首级控制网，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2cm左右，达到了常规方法难以实现的精度，同时还大大提前了工期。
又如浙江省测绘局利用Wild200GPS接收机的快速静态定位功能测定线路的全部初测导线，快速、高精度地建立了数百公里的高速公路控制网，取得了良好的效果。
GPS技术也同样能有效应用于特大桥梁的控制测量中。
由于无需通视，能构成较强的网形，提高了点位精度，同时对检测常规测量的支点也十分有效。
如在江阴长江大桥的建设中，首先用常规方法建立了高精度边角网，然后利用GPS对该网进行检测，GPS检测网达到了毫米级的精度，与常规精度网的比较符合较好。
GPS技术在隧道测量中也具有广泛的应用前景，GPS测量无需通视，减少了常规方法的许多中间环节，因此，精度高、速度快，具有明显的经济效益和社会效益。
差分动态GPS在道路勘测方面主要应用于数字地面模型的数据采集、中线放样、控制点的加密、纵断面测量以及无需外控点的机载GPS航测等方面。
1994年6月曾在同济大学试验了KART实时相位差分卫星定位系统，在1km范围内达到了好于2cm的精度，因此能够有效用于线路控制网的加密。
GPS测量包含有三维信息，可用于数字地面模型的数据采集、中线放样、纵断面测量等。
在中线平面位置放样的同时，可获得纵断面，而在中线放样中需要实时把基准站的数据由数据链传到移动站，从而提供移动站的实时位置。
由于GPS仪器不象经纬仪那样能够指示方向，因此需与计算机辅助设计系统相结合，从而才能在计算机屏幕上看到目前位置与设计坐标的差异。
机载动态差分GPS应用于航测方面，在德国和加拿大已取得了成功，用载波相位差分测出每个摄影中心的三维坐标，而不再需要外控点测量，取得了较好的效果。
3.2GPS在汽车导航和交通管理中的应用
三维导航是GPS的首要功能，飞机、汽车、船舶以及步行者都可利用GPS导航接收器进行导航。
汽车导航系统是在GPS基础上发展起来的一门新型技术。
汽车导航系统是由GPS导航、自律导航、微处理器、车速传感器、陀螺传感器、CD—ROM驱动器、LCD显示器等组成。
S卫星信号（三颗以上），求出该点的经纬度坐标、速度、时间等信息。
为了提高汽车导航定位精度，通常采用差分GPS技术。
当汽车行驶到高速公路、地下隧道、高层楼群等遮掩物而搜索不到GPS卫星信号时，系统可自动导入自律导航系统，这时由车速传感器检测出汽车的行进速度，通过微处理单元的数据处理，从速度和时间中直接计算出行进的距离，陀螺传感器直接检测出前进的方向，陀螺仪还可自动存储各种数据，即使在因更换轮胎等原因暂时停车时，系统也能够重新设定。
由GPS卫星导航和自律导航所测到的汽车位置坐标数据、行进的方向都会与实际行驶的路线轨迹存在一定误差，为了修正这两者的误差，与地图上的路线统一，需要采用地图匹配技术，加一个地图匹配电路，对汽车行驶的路线和电子地图上道路误差进行实时相关匹配，自动修正，这时地图匹配电路是通过微处理单元的整理程序进行快速处理，得到汽车在电子地图上的准确位置，以指示出准确行驶路线。
CD-ROM用于存储道路数据等信息，LCD显示器用于显示导航的相关信息。
GPS导航系统与电子地图、无线电通信网络和计算机车辆管理信息系统相结合，可实现车辆跟踪与交通管理等诸多功能，这些功能主要有以下几个方面。
（1）车辆跟踪：
通过车载GPS接收机，使驾驶员能够随时知道自己的具体位置。
通过车载电台将GPS定位信息发送给调度指挥中心，调度指挥中心便可随目标移动，及时掌握各车辆的具体位置，并在大屏幕电子地图上显示出来，还能
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及货物进行跟踪运输，能促进交通管理及物流事业的快速发展。
（2）话务指挥：
指挥中心能够监测区域内车辆运行状况，对被监控车辆进行合理调度。
指挥中心还能随时与被跟踪目标通话，进行实时管理。
（3）紧急援助：
通过GPS定位及监控管理系统能够对发生事故或遇有险情的车辆进行紧急援助。
监控台的电子地图显示报警目标和求助信息，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。
（4）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，用户可以在电子地图上根据需要进行查询。
查询的资料能以文字、语言和图象的形式显示，并在电子地图上显示其位置。
同时，监测中心能够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。
（5）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，它包括人工线路设计和自动线路规划。
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。
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。
线路规划完毕后，显示器可在电子地图上显示设计线路，并同时显示汽车运行路径与运行方法。
GPS技术在汽车导航和交通管理工程中的研究和应用目前在中国还处于起步阶段，而国外在这方面的研究早就开始并已取得了一定的成效。
加拿大卡尔加里大学设计了一种动态定位系统，该系统包括一台捷联式惯性系统，两台GPS接收机和一台微机，能测定已有道路的线形参数，为道路管理系统服务。
美国研制了应用于城市的道路交通管理系统，该系统利用GPS和GIS建立道路数据库，在数据库中包含有各种现时的数据资料，如道路的路面状况、准确位置、沿路设施等，该系统于1995年正式运行，为城市道路交通管理发挥了重要作用。
近年来，国外研制了各种应用于车辆诱导的系统，其中车辆位置的实时确定以往主要依据惯性测量系统以及车轮传感器，随着GPS的发展及其所显示出的优越性，有取代前两种方法的趋势。
用于城市车辆诱导的GPS定位一般是在城市中设立一个基准站，车载GPS实时接收。
基准站发射的信息，经过差分处理便可计算出实时位置，把目前所处位置和所要到达的目标在道路网中进行优化计算，就能在道路电子地图上显示出到达目标的最优化路线，为公安、消防、急救、抢修等车辆服务。
3.3GPS的其他应用
GPS除了用于导航、定位、测量外，还能用于传送精确时间和频率。
由于GPS系统的空间卫星上载有的精确时钟能够发布时间和频率信息，因此，以空间卫星上的精确时钟为基础，在地面监测站的监控下，传送精确时间和频率是GPS的另一重要应用。
应用该功能能进行精确时间或频率控制，能为许多工程实验服务。
此外，据国外资料显示，还能利用GPS获得气象数据，为某些试验和工程所用。
4GPS使用过程中应注意的问题
4.1GPS测量的误差源
4.1.1与卫星有关的误差
卫星星历误差:
由广播星历或其它轨道信息所给出的卫星位置与卫星的实际位置之差称为星历误差。
星历误差主要取决于卫星跟踪系统的质量。
卫星钟误差:
卫星钟虽然为高精度的原子钟,但仍存在误差,既包含钟差、频偏、频飘等系统误差,也有偶然误差。
相对论效应:
由于卫星钟与接收机钟所处的运动速度和重力位不同而引起的卫星钟与接受机钟相对误差的现象。
4.1.2信号传播有关的误差
电离层折射:
电磁波信号通过电离层时传播速度会发生变化,使量测结果产生系统性偏差。
电离层折射的大小与时间、地点等因素有关。
对流层折射:
卫星信号通过对流层时传播速度会发生变化,使量测结果产生系统性偏差。
对流层折射的大小取决于气温、气压、湿度等。
多路径误差:
经某些物体反射后到达接受机的信号和直接来自卫星的信号进行叠加进入接受机,使测量值产生误差,误差大小与测站周围环境及接受机的天线有关。
4.1.3与接受机有关的误差
接收机钟的误差:
接受机钟一般为石英钟,钟差更为严重。
接收受机的位置误差:
在进行授时和定轨时,接收机天线的相位中心是已知值,其误差将会对授时和定轨的结果产生系统误差。
4.2在GPS应用中应注意的问题
4.2.1GPS卫星信号有效性问题
GPS卫星由美国航空航天局发射,研制目的为服务于美国军方。
虽然现在GPS已用于各个领域,但GPS信号分为P码和C/A码,P码服务于美国军方,C/A码用于普通用户。
早期美国对GPS信号实施SA技术,即对GPS信号加入人为干涉,降低非特许用户的精度;
近年来出于商业目的,虽然宣布取消SA政策,但主控权还是在美国手中。
如果其出于某种目的,通过监测站、注入站注入随机控制信息,影响卫星星历及导航电文,则普通用户在毫不知情的情况下会得到错误的结果。
这种情况在导航等动态定位中很可能不能及时被发现。
因而对于国防、军事等领域用GPS必须辅以必要的检测手段。
大力投入发展自己的导航定位系统,于国防军事方面而言应是必须的。
我国已于2000年发射了自己的2颗定位导航卫星,构成了“北斗”定位导航系统。
4.2.2GPS接收机的选择
根据GPS的测量原理,用于大地测量、工程测量的GPS接收机应能自动捕获和跟踪在视的GPS卫星,能连续不断的测量两个载波信号到达GPS信号接收天线的滞后相位,能从每一颗GPS卫星的导航电文中获取GPS星历数据,并能不断记录其变化,应拥有较大容量的机内存储器,能适时计算和显示GPS测量结果,应具有较强的机内数据处理软件,应具有秒脉冲输出接口和外接标准频率的输入插座,能自动检校机内电路的工作状态,并适时显示自校结果,附设有带抑径板或抑径圈的GPS信号接收天线,且机内应设有专用软件用以实时改正天线相位中心的不稳定性。
前述GPS误差源中可以看出,GPS测量中包含多种误差,可以通过建立误差改正模型改正电离层、对流层、卫星星历等的误差影响,但各种改正模型或通过理论分析建立的理论公式或通过大量的观测数据通过分析拟合而建立的经验公式,改正模型改正误差的效果各不相同;
通过求差法分析误差对观测值或平差结果的影
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