摘要：本文系統介紹了GPS的原理和其三大子系統，著(zhù)重介紹了GPS系統在交通運輸中的應用，包括在道路工程、汽車(chē)導航和交通管理中的應用以及其他應用

　　一、全球定位系統GPS簡(jiǎn)介

　　全球衛星定位系統GPS是美軍70年代初在“子午儀衛星導航定位”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)勢的導航定位、定時(shí)、測速系統。GPS由三大子系統構成：空間衛星系統、地面監控系統、用戶(hù)接收系統。

　　空間衛星系統空間衛星系統由均勻分布在6個(gè)軌道平面上的24顆高軌道工作衛星構成，各軌道平面相對于赤道平面的傾角為550，軌道平面間距600。在每一軌道平面內，各衛星升交角距差900，任一軌道上的衛星比西邊相鄰軌道上的相應衛星超前300。事實(shí)上，空間衛星系統的衛星數量要超過(guò)24顆，以便及時(shí)更換老化或損壞的衛星，保障系統正常工作。該衛星系統能夠保證在地球的任一地點(diǎn)向使用者提供4顆以上可視衛星。

　　空間系統的每顆衛星每12小時(shí)（恒星時(shí)）沿近圓形軌道繞地球一周，由星載高精度原子鐘（基頻F=10.23MHZ）控制無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機在“低噪音窗口”（無(wú)線(xiàn)電窗口中，2至8區間的頻區天線(xiàn)噪聲最低的一段是空間遙測及射電干涉測量?jì)?yōu)先選用頻段）附近發(fā)射L1、L2兩種載波，向全球的用戶(hù)接收系統連續地播發(fā)GPS導航信號。GPS工作衛星組網(wǎng)保障全球任一時(shí)刻、任一地點(diǎn)都可對4顆以上的衛星進(jìn)行觀(guān)測（最多可達11顆），實(shí)現連續、實(shí)時(shí)地導航和定位。

　　GPS衛星向廣大用戶(hù)發(fā)送的導航電文是一種不歸零的二進(jìn)制數據碼D（t），碼率fd=50HZ.為了節省衛星的電能、增強GPS信號的抗干擾性、保密性，實(shí)現遙遠的衛星通訊，GPS衛星采用偽噪聲碼對D碼作二級調制，即先將D碼調制成偽噪聲碼（P碼和C/A碼），再將上述兩噪聲碼調制在L1、L2兩載波上，形成向用戶(hù)發(fā)射的GPS射電信號。因此，GPS信號包括兩種載波（L1、L2）和兩種偽噪聲碼（P碼、C/A碼）。這四種GPS信號的頻率皆源于10.23MHZ（星載原子鐘的基頻）的基準頻率�；鶞暑l率與各信號頻率之間存在一定的比例。其中，P碼為精確碼，美國為了自身的利益，只供美國軍方、政府機關(guān)以及得到美國政府批準的民用用戶(hù)使用，C/A碼為粗碼，其定位和時(shí)間精度均低于P碼，目前，全世界的民用客戶(hù)均可不受限制地免費使用。

　　地面監控系統地面監控系統由均勻分布在美國本土和三大洋的美軍基地上的5個(gè)監測站、一個(gè)主控站和三個(gè)注入站構成。該系統的功能是：對空間衛星系統進(jìn)行監測、控制，并向每顆衛星注入更新的導航電文。

　　地面監控系統各站的主要任務(wù)是：

　　監測站用GPS接收系統測量每顆衛星的偽距和距離差，采集氣象數據，并將觀(guān)測數據傳送給主控點(diǎn)。5個(gè)監控站均為無(wú)人守值的數據采集中心。

　　主控站主控站接收各監測站的GPS衛星觀(guān)測數據、衛星工作狀態(tài)數據、各監測站和注入站自身的工作狀態(tài)數據。根據上述各類(lèi)數據，完成以下幾項工作：

　　及時(shí)編算每顆衛星的導航電文并傳送給注入站……控制和協(xié)調監測站間、注入站間的工作，檢驗注入衛星的導航電文是否正確以及衛星是否將導航電文發(fā)給了GPS用戶(hù)系統……診斷衛星工作狀態(tài)，改變偏離軌道的衛星位置及姿態(tài)，調整備用衛星取代失效衛星。

　　注入站接受主控站送達的各衛星導航電文并將之注入飛越其上空的每顆衛星。

　　用戶(hù)接收系統用戶(hù)接收系統主要由以無(wú)線(xiàn)電傳感和計算機技術(shù)支撐的GPS衛星接收機和GPS數據處理軟件構成。

　　GPS接收機GPS衛星接收機的基本結構是天線(xiàn)單元和接收單元兩部分。天線(xiàn)單元的主要作用是：當GPS衛星從地平線(xiàn)上升起時(shí)，能捕獲、跟蹤衛星，接收放大GPS信號。接收單元的主要作用是：記錄GPS信號并對信號進(jìn)行解調和濾波處理，還原出GPS衛星發(fā)送的導航電文，解求信號在站星間的傳播時(shí)間和載波相位差，實(shí)時(shí)地獲得導航定位數據或采用測后處理的方式，獲得定位、測速、定時(shí)等數據。

　　微處理器是GPS接收機的核心，承擔整個(gè)系統的管理、控制和實(shí)時(shí)數據處理。視屏監控器是接收機與操作者進(jìn)行人機交流的部件。

　　目前，國際上已推出幾十種測量用GPS接收機，各廠(chǎng)商的產(chǎn)品朝著(zhù)實(shí)用、輕便、易于操作、美觀(guān)價(jià)廉的方向發(fā)展。

　　GPS數據處理軟件GPS數據處理軟件是GPS用戶(hù)系統的重要部分，其主要功能是對GPS接收機獲取的衛星測量記錄數據進(jìn)行“粗加工”、“預處理”，并對處理結果進(jìn)行平差計算、坐標轉換及分析綜合處理。解得測站的三維坐標，測體的坐標、運動(dòng)速度、方向及精確時(shí)刻。

　　GPS定位技術(shù)是正在發(fā)展中的高新技術(shù)，數據處理技術(shù)也處在不斷更新之中，各系列GPS接收機制造廠(chǎng)家研制的處理軟件也各具特色。

　　GPS定位的基本方法GPS定位采用空間被動(dòng)式測量原理，即在測站上安置GPS用戶(hù)接收系統，以各種可能的方式接收GPS衛星系統發(fā)送的各類(lèi)信號，由計算機求解站星關(guān)系和測站的三維坐標。

　　由對GPS信號觀(guān)測量的不同，GPS定位的基本方法有以下幾種形式：

　　偽距測量。載波相位測量。多普勒測量。衛星射電干涉測量

　　為了精密定位，一臺GPS接收機往往不是單純采用一種測量方式，而是以某種方式為主，并輔以其他方法。

　　目前，全球定位系統已廣泛應用于軍事和民用等眾多領(lǐng)域中。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(guān)測過(guò)程中固定不變的，如GPS在大地測量中的應用。動(dòng)態(tài)定位是指待定點(diǎn)在運動(dòng)載體上，在觀(guān)測過(guò)程中是變化的，如GPS在船舶導航中的應用。靜態(tài)相對定位的精度一般在幾毫米幾厘米范圍內，動(dòng)態(tài)相對定位的精度一般在幾厘米到幾米范圍內。對GPS信號的處理從時(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星信號一邊進(jìn)行計算，獲得目前所處的位置、速度及時(shí)間等信息；后處理是指把衛星信號記錄在一定的介質(zhì)上，回到室內統一進(jìn)行數據處理。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。

　　二、GPS在交通運輸中的應用

　　1、GPS在道路工程中的應用

　　GPS在道路工程中的應用，目前主要是用于建立各種道路工程控制網(wǎng)及測定航測外控點(diǎn)等。隨著(zhù)高等級公路的迅速發(fā)展，對勘測技術(shù)提出了更高的要求，由于線(xiàn)路長(cháng)，已知點(diǎn)少，因此，用常規測量手段不僅布網(wǎng)困難，而且難以滿(mǎn)足高精度的要求。目前，國內已逐步采用GPS技術(shù)建立線(xiàn)路首級高精度控制網(wǎng)，如滬寧、滬杭高速公路的上海段就是利用GPS建立了首級控制網(wǎng)，然后用常規方法布設導線(xiàn)加密。實(shí)踐證明，在幾十公里范圍內的點(diǎn)位誤差只有2cm左右，達到了常規方法難以實(shí)現的精度，同時(shí)也大大提前了工期。浙江省測繪局利用Wild 200 GPS接收機的快速靜態(tài)定位功能施測了線(xiàn)路的全部初測導線(xiàn)，快速、高精度的建立了數百公里的高速公路控制網(wǎng)，取得了良好的效果。GPS技術(shù)也同樣應用于特大橋梁的控制測量中。由于無(wú)需通視，可構成較強的網(wǎng)形，提高點(diǎn)位精度，同時(shí)對檢測常規測量的支點(diǎn)也非常有效。如在江陰長(cháng)江大橋的建設中，首先用常規方法建立了高精度邊角網(wǎng)，然后利用GPS對該網(wǎng)進(jìn)行了檢測，GPS檢測網(wǎng)達到了毫米級精度，與常規精度網(wǎng)的比較符合較好。GPS技術(shù)在隧道測量中具有廣泛的應用前景，GPS測量無(wú)需通視，減少了常規方法的中間環(huán)節，因此，速度快、精度高，具有明顯的經(jīng)濟和社會(huì )效益。

　　差分動(dòng)態(tài)GPS在道路勘測方面主要應用于數字地面模型的數據采集、控制點(diǎn)的加密、中線(xiàn)放樣、縱斷面測量以及無(wú)需外控點(diǎn)的機載GPS航測等方面。1994年6月在同濟大學(xué)試驗了KART實(shí)時(shí)相位差分衛星定位系統，在1km范圍內達到了優(yōu)于2cm的精度，因此能夠用于線(xiàn)路控制網(wǎng)的加密。GPS測量包含有三維信息，可用于數字地面模型的數據采集、中線(xiàn)放樣以及縱斷面測量。在中線(xiàn)平面位置放樣的同時(shí)，可獲得縱斷面，在中線(xiàn)放樣中需實(shí)時(shí)把基準站的數據由數據鏈傳到移動(dòng)站，從而提供移動(dòng)站的實(shí)時(shí)位置，由于GPS儀器不象經(jīng)緯儀那樣可以指示方向，因此需與計算機輔助設計系統相結合，從而可在計算機屏幕上看到目前位置與設計坐標的差異。機載動(dòng)態(tài)差分GPS應用于航測在德國和加拿大已取得了成功，用載波相位差分測出每個(gè)攝影中心的三維坐標，而不再需要外控點(diǎn)測量，取得了良好的效果。

　　2、GPS在汽車(chē)導航和交通管理中的應用

　　三維導航是GPS的首要功能，飛機、船舶、地面車(chē)輛以及步行者都可利用GPS導航接收器進(jìn)行導航。汽車(chē)導航系統是在全球定位系統GPS基礎上發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新型技術(shù)。汽車(chē)導航系統由GPS導航、自律導航、微處理器、車(chē)速傳感器、陀螺傳感器、CD—ROM驅動(dòng)器、LCD顯示器組成。

　　GPS導航是由GPS接收機接收GPS衛星信號（三顆以上），求出該點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標、速度、時(shí)間等信息。為提高汽車(chē)導航定位精度，通常采用差分GPS技術(shù)。當汽車(chē)行駛到地下隧道、高層樓群、高速公路等遮掩物而與捕獲不到GPS衛星信號時(shí)，系統可自動(dòng)導入自律導航系統，此時(shí)由車(chē)速傳感器檢測出汽車(chē)的行進(jìn)速度，通過(guò)微處理單元的數據處理，從速度和時(shí)間中直接算出前進(jìn)的距離，陀螺傳感器直接檢測出前進(jìn)的方向，陀螺儀還能自動(dòng)存儲各種數據，即使在更換輪胎暫時(shí)停車(chē)時(shí)，系統也可以重新設定。

　　由GPS衛星導航和自律導航所測到的汽車(chē)位置坐標數據、前進(jìn)的方向都與實(shí)際行駛的路線(xiàn)軌跡存在一定誤差，為修正這兩者的誤差，與地圖上的路線(xiàn)統一，需采用地圖匹配技術(shù)，加一個(gè)地圖匹配電路，對汽車(chē)行駛的路線(xiàn)與電子地圖上道路誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)相關(guān)匹配作自動(dòng)修正，此時(shí)地圖匹配電路是通過(guò)微處理單元的整理程序進(jìn)行快速處理，得到汽車(chē)在電子地圖上的正確位置，以指示出正確行駛路線(xiàn)。CD-ROM用于存儲道路數據等信息，LCD顯示器用于顯示導航的相關(guān)信息。

　　GPS導航系統與電子地圖、無(wú)線(xiàn)電通信網(wǎng)絡(luò )及計算機車(chē)輛管理信息系統相結合，可以實(shí)現車(chē)輛跟蹤和交通管理等許多功能，這些功能包括：

　　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；可以隨目標移動(dòng)，使目標始終保持在屏幕上；還可實(shí)現多窗口、多車(chē)輛、多屏幕同時(shí)跟蹤。利用該功能可對重要車(chē)輛和貨物進(jìn)行跟蹤運輸。

　　提供出行路線(xiàn)規劃和導航提供出行路線(xiàn)規劃是汽車(chē)導航系統的一項重要輔助功能，它包括自動(dòng)線(xiàn)路規劃和人工線(xiàn)路設計。自動(dòng)線(xiàn)路規劃是由駕駛者確定起點(diǎn)和目的地，由計算機軟件按要求自動(dòng)設計最佳行駛路線(xiàn)，包括最快的路線(xiàn)、最簡(jiǎn)單的路線(xiàn)、通過(guò)高速公路路段次數最少的路線(xiàn)等的計算。人工線(xiàn)路設計是由駕駛者根據自己的目的地設計起點(diǎn)、終點(diǎn)和途經(jīng)點(diǎn)等，自動(dòng)建立線(xiàn)路庫。線(xiàn)路規劃完畢后，顯示器能夠在電子地圖上顯示設計線(xiàn)路，并同時(shí)顯示汽車(chē)運行路徑和運行方法。

　　信息查詢(xún)?yōu)橛脩?hù)提供主要物標，如旅游景點(diǎn)、賓館、醫院等數據庫，用戶(hù)能夠在電子地圖上根據需要進(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)，監測中心可以利用監測控制臺對區域內的任意目標所在位置進(jìn)行查詢(xún)，車(chē)輛信息將以數字形式在控制中心的電子地圖上顯示出來(lái)。

　�。�4）話(huà)務(wù)指揮

　　指揮中心可以監測區域內車(chē)輛運行狀況，對被監控車(chē)輛進(jìn)行合理調度。指揮中心也可隨時(shí)與被跟蹤目標通話(huà)，實(shí)行管理。

　�。�5）緊急援助

　　通過(guò)GPS定位和監控管理系統可以對遇有險情或發(fā)生事故的車(chē)輛進(jìn)行緊急援助。監控臺的電子地圖顯示求助信息和報警目標，規劃最優(yōu)援助方案，并以報警聲光提醒值班人員進(jìn)行應急處理。

　　GPS技術(shù)在汽車(chē)導航和交通管理工程中的研究與應用目前在中國剛剛起步，而國外在這方面的研究早已開(kāi)始并已取得了一定的成果。加拿大卡爾加里大學(xué)設計了一種動(dòng)態(tài)定位系統，該系統包括一臺捷聯(lián)式慣性系統，兩臺GPS接收機和一臺微機，可測定已有道路的線(xiàn)形參數，為道路管理系統服務(wù)。美國研制了應用于城市的道路交通管理系統，該系統利用GPS和GIS建立道路數據庫，在數據庫中包含有各種現時(shí)的數據資料，如道路的準確位置、路面狀況、沿路設施等，該系統于1995年正式運行，為城市道路交通管理起到重要作用。近些年來(lái)國外研制了各種用于車(chē)輛誘導的系統，其中車(chē)輛位置的實(shí)時(shí)確定以往主要依據慣性測量系統以及車(chē)輪傳感器，隨著(zhù)GPS的發(fā)展和所顯示出的優(yōu)越性，有取代前兩種方法的趨勢。用于城市車(chē)輛誘導的GPS定位一般是在城市中設立一個(gè)基準站，車(chē)載GPS實(shí)時(shí)接收 基準站發(fā)射的信息，經(jīng)過(guò)差分處理便可計算出實(shí)時(shí)位置，把目前所處位置與所要到達的目標在道路網(wǎng)中進(jìn)行優(yōu)化計算，便可在道路電子地圖上顯示出到達目標的最優(yōu)化路線(xiàn)，為公安、消防、搶修、急救等車(chē)輛服務(wù)。

　　3、GPS的其他應用

　　GPS除了用于導航、定位、測量外，由于GPS系統的空間衛星上載有的精確時(shí)鐘可以發(fā)布時(shí)間和頻率信息，因此，以空間衛星上的精確時(shí)鐘為基礎，在地面監測站的監控下，傳送精確時(shí)間和頻率是GPS的另一重要應用，應用該功能可進(jìn)行精確時(shí)間或頻率控制，可為許多工程實(shí)驗服務(wù)。此外，據國外資料顯示，還可利用GPS獲得氣象數據，為某些試驗和工程應用。

　　全球定位系統GPS是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的最具有開(kāi)創(chuàng )意義的高新技術(shù)之一，其全球性、全能性、全天候性的導航定位、定時(shí)、測速優(yōu)勢必然會(huì )在諸多領(lǐng)域中得到越來(lái)越廣泛的應用。在發(fā)達國家，GPS技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始應用于交通運輸和道路工程之中。目前，GPS技術(shù)在我國道路工程和交通管理中的應用還剛剛起步，相信隨著(zhù)我國經(jīng)濟的發(fā)展，高等級公路的快速修建和GPS技術(shù)應用研究的逐步深入，其在道路工程中的應用也會(huì )更加廣泛和深入，并發(fā)揮更大的作用。