GPS电子地图的建立及 GPS定位技术的应用

梁明亮 宋宪华

(郑州铁路职业技术学院 河南郑州 450052)

一、GPS定位原理

GPS(Global Positioning System)即全球定位系统,是由距离地球 2万多公里的 24颗人造卫星,基本均匀地分布在 6个轨道平面内组成的卫星网向地球不断发射定位信号,用户通过 GPS接收设备(接收机)接收 3颗或 3颗以上的 GPS卫星信号,经信号处理而获得用户位置、速度等信息,从而实现对目标进行准确定位的技术。

全球卫星定位系统由以下三个子系统组成:

1.太空卫星子系统。由 24颗绕极卫星所组成,分成六个轨道,运行于约 20200公里的高空,绕行地球一周约 12小时。每个卫星均持续着发射载有卫星轨道数据及时间的无线电波,提供地球上的各种接收机来应用。

2.地面管制子系统。作用为为了追踪及控制上述卫星运转,负责修正与维护每个卫星能保持正常运转的各项参数,以确保每个卫星都能提供正确的讯息给接收机来接收。

3.接收子系统。即用户接收设备,根据接收到的卫星数据信号,内部的微处理计算机按定位解算方法进行定位计算,计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及 GPS数据的后处理软件包构成完整的 GPS用户设备。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。关机后,机内电池作为 RAM存储器供电,以防止数据丢失。目前各种类型的接收机体积越来越小,重量越来越轻,以便野外观测使用。

二、GPS的基本应用原理

GPS的基本应用主要为定位和导航。GPS全球卫星定位系统可应用于车辆监控、调度和报警。在客车、货车、公安、押运、危险品运输等车辆上安装一套具有 GPS定位功能和通讯功能的车载 GPS终端,通过车载的手机卡发送短信或网络(GPRS或 CDMA)信号到 GPS中心平台,GPS中心平台对接收到的信号进行存储处理并发送到 GPS调度计算机,GPS调度计算机通过 GPS调度软件或互联网连接GPS中心平台,查看车辆运行情况和轨迹,接受报警信号,并对车辆进行监控调度和管理。车载 GPS系统的推广应用极大地提高了运输企业的科技管理水平。

由于卫星是处在相当高的运行轨道上,其传送的讯号较微弱,在使用时需注意:一是在室外及天空开阔度较佳的地方使用,若卫星信号被建筑物、金属遮盖物、浓密树林等所阻挡,接收机将无法获得足够的卫星讯息来计算出所在位置的坐标;二是不能在具有 1.57GHz左右的强电波环境下使用,这样易将卫星讯号遮盖掉,造成接收机无法获得足够的卫星讯息。

利用 GPS所求出的定位数据可作各种交通工具的导航数据。接收机所计算出的任何时刻坐标数据,称为一个航点(WAYPOINT),即每个航点所表示的就是一个坐标值,把它储存在接收机内,并编上一个名字,以供辨别。

由于在地球表面上的任何位置,都以不同的坐标值来表示,因此只要知道两个不同航点的坐标数据,接收机就可马上计算出两个航点间的直线距离、相对方位及航行速度,此为 GPS接收机导航数据的来源。要实现 GPS导航,须事先将交通工具经过的路段各点的坐标数据(利用地图或查询相关数据)输入 GPS接收机内,即建立航点数据或电子地图。

三、GPS导航电子地图的构成

电子地图是整个导航应用体系中的核心部分。通常电子地图由记录实际地物的地理数据和与实际地物相关的标识、整饰信息以及各类附加信息组成。电子地图主要由道路形状数据、背景数据、拓扑数据和属性数据构成,它们之间紧密衔接,共同为车辆导航应用提供服务。

1.道路形状数据。主要记录与道路相关的精确地理位置、路面形状、道路隔离带、相应的附属设施等。

2.背景数据。其既包括了植被、水系、行政区划、面状公共场所等现实意义上的背景信息,也包括各类与智能导航相关的实时交通信息。

3.拓扑数据。定义了电子地图中各种地物间的相互关系,包括拓扑联接、拓扑相邻、拓扑包含等。

4.属性数据。记录各类地物除位置信息以外的数据。属性中常包括名称、地址、电话、网址等,或道路名称、道面宽度、车道数据、通行级别等。

目前世界上最主要的导航电子数据标准/格式有以下几种:

1.GDF格式。GDF(Geographical Data File)是欧洲交通网络表达的空间数据标准,用于描述和传递与路网和道路相关的数据。

2.KIWI格式。是专门针对汽车导航的电子数据格式,旨在提供一种通用的电子地图数据的存储格式,以满足嵌入式应用快速精确和高效的要求。

3.NavTech的数据格式。NavTech公司致力于生产大比例尺的道路网商用数据,包括详细的道路、道路附属物、交通信息等,这些数据主要用于车辆导航应用。

四、GPS技术在铁路运输中的应用

GPS定位和导航是集 GIS、GPS、通信、嵌入式软硬件技术为一体的高度综合性的高技术产品。近年来,GPS导航技术在汽车中得到了广泛的关注和应用。随着中国经济快速、持续的发展,包括铁路运输业在内的现代交通运输呈现出蓬勃发展之势,可以预计,在今后的一段时间内,GPS定位和导航必将在铁路运输中发挥越来越重要的作用。

1.在救援列车上的应用

在救援列车和机车上安装 GPS“车载终端”后,当机车出现故障或发生事故后,将信息传递给调度中心或救援列车的 GPS监控中心。计算机通过 GIS将事故列车和救援列车的实时位置显示在电子地图上,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,使救援工作准确及时。

2.在调度系统中的应用

传统的铁路行车指挥调度系统是通过司机与车站值班员、列车调度员三方通话确认列车运行位置、运行时间和运行速度。对列车运行的准确里程和速度,值班员和调度员不清楚,而且受到区段(距离)的极大限制。通过 GPS技术和机车上已有的无线列调、机车信号、监控装置、车号识别装置,可以实时地将列车运行的时间、车次、机车号、运行区段(实时位置)、运行速度等信息传递到调度监控中心,计算机通过 GIS将列车的各种状态信息显示在大屏幕上。这样将大大提高调度系统的工作效率。

3.在铁路物流管理中的作用

设想在全路推行机车车辆的 GPS信息动态管理系统,通过 GPS和计算机网络实时收集全路列车、机车、车辆、集装箱及所运货物的动态信息,实现列车及货物的追踪管理。只要知道货车的车种、车型和车号,就可以立即从近 10万 km的铁路网上流动着的几十万辆货车中找到该货车,还能得知这辆货车在何处运行或停在何处,以及所有的车载货物发货信息。这样将大大提高路网及其运营的透明度,提高运输效率。

[1]宋长峰,滕继涛等.GPS/GLONASS定位仿真器的设计与实现[J].北京航空航天大学学报,2004(9).

[2]魏东,刘晓辉.GPS卫星导航接收机调试工艺技术研究[J].电子工艺技术,2008(3).