全球卫星定位系统GPS在汽车运输中的应用

贾钰

全球卫星定位系统GPS在汽车运输中的应用

贾钰

（白银有色集团股份有限公司西北铅锌冶炼厂，甘肃白银730900）

随着公路交通运输业的发展和汽车保有量的逐年增加，公路交通运输为产品运输带来了极大的方便，同时运输车辆的运行给道路交通管理也带来一定的压力，对交通运输企业以及企业运输车队来讲，也容易导致运营效率不高、车辆运行成本增加、甚至在运输途中造成货物的丢失、发生交通事故、车辆发生故障造成产品运输延误等问题。GPS全球卫星定位系统所具备的各项功能，有助于在解决上述问题上为我们提供方便，本文主要从GPS全球定位系统的基本结构原理和其三大子系统做一介绍，并着重介绍了GPS系统在汽车交通运输过程中的应用，以期望进一步应用全球定位系统来提高道路交通运输效率。

定位系统；汽车运输；GPS

1　GPS全球定位系统简介

GPS全球定位系统是美国三大空间技术之一，是航天技术、通信技术和计算机技术的结晶，其主要应用导航卫星测时和测距。GPS全球定位系统是由覆盖全球的24颗卫星组成的组合系统。整个系统的主要功用是保证人们在任意时刻，在全球上任意地点、观测角在5°～10°时，至少有4颗卫星为导航使用者提供数据，保证卫星采集到导航使用者所在地点的经纬度和高度的数据，利用这些数据的运算和使用，实现定位导航等功能。GPS全球定位系统是20世纪70年代由美国三军联合研制的新一代新型空间卫星系统，是美军研制开发的一种“子午仪”卫星导航系统技术上的基础上发展起来的。其主要功用是为军队提供服务，并用于监测和应急通讯等，现在也使用于民用。为保障定位系统的可靠地工作，实际上的GPS全球定位系统的卫星数量多于24颗，主要目的是防止由于卫星老化或损坏，造成可见卫星减少，影响数据的采集。

2　GPS全球卫星定位系统的组成

GPS系统包括三大部分：空间部分—GPS星座、地面控制部分—地面监控系统、用户设备部分—GPS信号接收机。

2.1空间部分

GPS全球卫星定位系统的空间部分包括21颗卫星和3颗备用卫星组成，这些卫星均匀分布在轨道倾角为55°的6个轨道上，轨道平面之间相距60°，卫星轨道高度距离地面20200km。卫星向地面发射信号包括载波、测距码和数据码，其中载波信号采用1575MHz和1227.6MHz两个频率发送，测距码分为粗码提供给民间用户和精码提供给军方使用，数据码包括遥测码、转换码和原子钟，卫星的分布可以使全球多用户，在任意地方、任意时间都可以利用不少于4颗卫星，最多可达12颗，全天候、连续、实时为用户提供三维测速、定位和授时，用户由接收机解算出在地球上的位置、速度和当前的时间。

2.2地面监控系统

GPS全球卫星定位系统的地面控制部分包括1个主控站，3个注入站和5个全球监测站组成。地面监控系统主要以电文的形式，提供每颗卫星所播发的星历，星历是指卫星的运动和轨迹参数。无人值守的监测站的主要任务是对每个卫星观测到的数据提供给主控站。主控站拥有大型的计算机进行各监测站数据采集、通过计算编辑导航电文、对整个地面支撑系统进行控制和协调，及时调整卫星轨道和姿态，然后将结果送到3个地面控制站。监控站将卫星电文注入观测到的卫星、由GPS卫星将信息发送给用户。如果有地面站发生故障，卫星中预存的导航信息还可以在一段时间内任提供导航数据，但导航精度会逐渐降低。

2.3用户接收系统

用户接收系统包括电源、天线、接收机、微处理器、显示设备等软硬件，也称为用户接收机。GPS卫星接收天线能在卫星升起时捕获、跟踪卫星。接收机能够接受记录GPS信号，还原导航电文，计算信号站之间的传播时间和载波相位差，获得定位、测速、定时的数据。微处理器是接收机的核心部件，进行整个系统的管理和控制工作，并对数据进行实时处理。视频监控器是人机交流的部件。接收机一般用蓄电池做电源，采用机内和机外两种直流电源，设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。关机后为RAM存储器供电，以防止数据丢失。

3　GPS定位的基本方法

GPS全球卫星定位系统采用空间被动式测量原理，它是在监测站上安置全球卫星定位系统用户接收系统，以各种方式接收卫星发送的各类信号，由计算机运算出监测站和卫星之间的关系和监测站的三维坐标。GPS定位的方法主要有以下几种形式：

3.1伪距测量

伪距测量是在定位系统进行导航和定位时，用通信卫星发播的伪随机码与用户接收系统接收机复制码的相关技术，测定监测站到卫星之间的距离的技术和方法。测得的距离含有时钟误差和大气层折射延迟，不是真实的距离，因此称为伪距。伪距测量一般用于用户接收机固定在地面监测站上的静态定位，也可用于接收机固定于运动载体上的动态定位，但固定于运动载体上的定位精度较低，一般用于精度要求不高的导航。

3.2载波相位测量

利用接收机测定载波相位观测值，经运算获得两个同步观测站之间的基线向量坐标差的技术和方法。可用于较精密的绝对定位和高精度的相对定位。

3.3多普勒测量

通过接收机测定卫星发播信号的多普勒频移或多普勒计数，确定监测站到卫星的距离变化率，或者检测监测站到卫星相邻两点间的距离差，以此确定监测站的三维坐标或两点的坐标差的技术和方法。其原理是利用多普勒频移与信号源和接收机的相对位移关系，获得信号源与接收机的相对位移，达到对监测站定位和导航的目的。

3.4卫星射电干涉测量

利用基线两端的射电望远镜，以独立的时间标准同时接收同一个射电源信号，并记录于磁带上，然后将两磁带的记录一起送入处理机作相关处理，求出两相同信号到达基线两端的时刻之差和相对时延变化率，即是观测量。

为了精密定位GPS接收机往往不是采用一种测量方式，是以某种方式为主辅以其他方法。

4　GPS在汽车导航和交通管理中的应用

汽车导航系统是在GPS全球卫星定位系统基础上发展起来的。汽车导航系统是由GPS、车载部分、主控中心等组成。主控中心由电台、调制解调器、电子地图和计算机系统组成，电台接收汽车的位置信息和反控汽车，调制解调器给反控命令和信息的转换，计算机系统接受汽车位置信号并进行预处理，按协议将信息送到工作站，工作站根据相关信息在地图数据上显示汽车位置。

GPS接收机接受卫星信号，求出汽车所在的位置的坐标、速度、时间等信息。当汽车行驶到地下隧道、高层楼群等遮掩物后，GPS卫星搜索不到信号时，导航系统会自动导入自律导航系统，这时由车速传感器检测出车速脉冲，检测出汽车的实际行驶速度，通过微处理单元对数据处理，以速度和时间计算出距离，陀螺传感器检测汽车前进的方向和行驶状况，自动存储各种数据，并通过计算机运算出由曲线距离和卫星坐标误差产生的汽车位置误差。？GPS卫星导航和自律导航测到的汽车位置坐标数据、方向与实际行驶的路线轨迹，一般存在一定差异，为保证汽车行驶轨迹与地图上的路线统一，必须采用地图匹配技术，对汽车行驶的实际路线和电子地图上显示的误差进行匹配和自动修正，以显示汽车在电子地图上的准确位置，给汽车指示出准确行驶路线。

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在一起，可实现对车辆跟踪与交通管理等功能，这些功能主要包括以下几个方面

4.1跟踪车辆

驾驶员通过车载GPS接收机随时确定自己的具体位置。通过车载电台自动将定位信息传输给监控中心，监控中心及时掌握车辆的具体位置信息，并通过电子地图，显示出车辆的具体位置。监控中心还可以实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪。可对重点车辆、重点货物进行跟踪运输，对促进交通管理质量的提高和交通运输业的快速发展起到积极的作用。

4.2话务指挥

监控中心监测车辆运行状况，对被监控车辆进行监控和合理的调度。还能随时与被监控车辆驾驶人员进行实时通话管理。

4.3紧急援助

通过GPS定位及监控管理系统能够在车辆发生事故或及时掌握遇有险情的车辆的信息，通过电子地图，监控中心合理利用就近资源，规划最优救助方案，进行合理有效的紧急援助。

4.4信息查询

车辆运行的信息以数字形式在监控中心的电子地图上显示出来，用户可以在电子地图上根据需要进行查询相应的物标，物标资料可以以文字、语言和图像的形式在电子地图上显示，同时可对区域内的任意目标的位置进行查询。

4.5出行路线规划和导航

汽车导航系统的一项重要辅助功能是提供出行路线规划，包括人工线路规划和自动线路规划。人工线路规划是由驾驶员根据自己需要，设计起点、终点和途经点等。自动线路规划是由驾驶员确定起点和目的地，由计算机自动设计最佳行驶路线，显示器在电子地图上显示设计线路，并显示汽车运行路径与运行方法。

GPS全球定位系统是近年来开发的、最具有创新意义的高新技术成果之一，在诸多领域中的应用得到越来越广泛。发达国家中，GPS技术已经广泛应用于交通运输和道路工程之中。目前，我国道路工程和交通管理中的应用还刚刚起步，但我国的“北斗”导航卫星系统取得了令人瞩目的成果，填补了国内外不少的空白，在交通运输领域中获得全方位应用。随着我国经济的发展和高等级公路的不断完善，GPS全球定位系统在交通管理和道路工程中将发挥更大的作用。

［1］ 李丽娟.基于组件式GIS与多媒体技术的旅游导航系统的应用与研究［M］.北京：北方民族大学，2009.

［2］ 鲁植雄，赵英兰.汽车多媒体和导航系统结构原理与维修［M］.南京：江苏科技大学出版社，2007.

［3］ 殷隽.车载多媒体系统设计与研究［M］.武汉：武汉科技大学，2013.

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