GPS定位技術(shù)與應(yīng)用

GPS(Global Positioning System)即全球定位系統(tǒng)，是由美國(guó)建立的一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)，用戶可以在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)的三維導(dǎo)航定位和測(cè)速;另外，利用該系統(tǒng)，用戶還能夠進(jìn)行高精度的時(shí)間傳遞和高精度的精密定位。

現(xiàn)實(shí)生活中，GPS定位主要用于對(duì)移動(dòng)的人、寵物、車及設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)定位監(jiān)控的一門技術(shù)。GPS定位是結(jié)合了GPS技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)(GSM/GPRS/CDMA)、圖像處理技術(shù)及GIS技術(shù)的定位技術(shù)，主要可實(shí)現(xiàn)如下功能:

1.跟蹤定位

監(jiān)控中心能全天侯24小時(shí)監(jiān)控所有被控車輛的實(shí)時(shí)位置、行駛方向、行駛速度，以便最及時(shí)的掌握車輛的狀況。

2.軌跡回放

監(jiān)控中心能隨時(shí)回放近60天內(nèi)的自定義時(shí)段車輛歷史行程、軌跡記錄。(根據(jù)情況，可選配軌跡DVD刻錄服務(wù))

3.報(bào)警(報(bào)告)

3.1，超速報(bào)警:車輛行駛速度超出監(jiān)控中心預(yù)設(shè)的速度時(shí)，及時(shí)上報(bào)監(jiān)控中心

3.2，區(qū)域報(bào)警(電子圍欄):監(jiān)控中心設(shè)定區(qū)域范圍，車輛超出或駛?cè)腩A(yù)設(shè)的區(qū)域會(huì)向監(jiān)控調(diào)度中心給出相應(yīng)的報(bào)警

3.3，停車報(bào)告:調(diào)度中心可對(duì)車輛的歷史停車記錄以文字形式生成報(bào)表，其中描述車輛的停車地點(diǎn)、時(shí)間和開(kāi)車時(shí)間等信息，并可對(duì)其進(jìn)行打印。

3.4，應(yīng)急報(bào)警: 一旦遇有緊急險(xiǎn)情(如遭劫等)，請(qǐng)馬上按動(dòng)應(yīng)急報(bào)警按鈕，向監(jiān)管中心報(bào)警，監(jiān)管中心即刻會(huì)知道您處于緊急狀態(tài)以及您所在的位置。經(jīng)核實(shí)后，進(jìn)入警情處置程序，助您脫險(xiǎn)。(注:一旦應(yīng)急報(bào)警按鈕啟動(dòng)，此設(shè)備會(huì)立即關(guān)閉通話功能，但短信功能正常)

3.5，欠壓報(bào)警，當(dāng)汽車電瓶電壓過(guò)低時(shí)，車載主機(jī)會(huì)自動(dòng)向監(jiān)控中心報(bào)警，由監(jiān)控中心值班員提醒用戶及時(shí)給車輛充電。

3.6，剪線報(bào)警，車輛主電瓶被破壞后或不能供電時(shí)，內(nèi)置備用電池可維持產(chǎn)品繼續(xù)工作，并向監(jiān)控中心發(fā)送剪線報(bào)警。

4.地圖制作功能

根據(jù)查看需要，客戶可以添加修改自定義地圖線路，以更好服務(wù)企業(yè)運(yùn)行

5.里程統(tǒng)計(jì)

系統(tǒng)利用GPS車載終端的行駛記錄功能和GIS地理系統(tǒng)原理對(duì)車輛進(jìn)行行駛里程統(tǒng)計(jì)，并可生成報(bào)表且可打印。

6.車輛信息管理

方便易用的管理平臺(tái)，提供了車輛、駕駛?cè)藛T、車輛圖片等信息的設(shè)定，以方便調(diào)度人員的工作。

7.短信通知功能

將被控車輛的各種報(bào)警或狀態(tài)信息在必要時(shí)發(fā)送到管理者手機(jī)上，以便隨時(shí)隨地掌握車輛重要狀態(tài)信息。

8.車輛遠(yuǎn)程控制

監(jiān)控中心可隨時(shí)對(duì)車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程斷油斷電，鎖車功能。

9.車載電話

車載電話可以象普通手機(jī)一樣拔打電話，調(diào)度中心可對(duì)此電話進(jìn)行遠(yuǎn)程權(quán)限設(shè)置，即呼入限制、呼出限制、只能呼叫指定的若干電話號(hào)碼。

10.油耗檢測(cè)

實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛的油耗變化，并生成歷史時(shí)段油量變化報(bào)表或油量曲線圖，進(jìn)而直觀反映出油量的正常消耗與非正常消耗及加油數(shù)量不足等現(xiàn)象，達(dá)到油耗高水平管理，杜絕不良事件的發(fā)生。(需搭配油量傳感器)

11.車輛調(diào)度

調(diào)度人員確定調(diào)度車輛或者在地圖上畫(huà)定調(diào)度范圍，GPS系統(tǒng)自動(dòng)向車輛或者畫(huà)定范圍內(nèi)的所有車輛發(fā)出調(diào)度命令，被調(diào)度車輛及時(shí)回應(yīng)調(diào)度中心，以確定調(diào)度命令的執(zhí)行情況。GPS系統(tǒng)還可對(duì)每輛車成功調(diào)度次數(shù)進(jìn)行月統(tǒng)計(jì)。

車載終端可以進(jìn)行自我診斷，一旦發(fā)生故障，就會(huì)向中心發(fā)出故障通知，方便工作人員維修，確保設(shè)備正常工作。

GPS計(jì)劃始于1973年 ，已于1994年進(jìn)入完全運(yùn)行狀態(tài)。GPS的整個(gè)系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分和用戶部分所組成:

空間部分(太空部分)

GPS的空間部分是由24顆GPS工作衛(wèi)星所組成，這些GPS工作衛(wèi)星共同組成了GPS衛(wèi)星星座，其中21顆為可用于導(dǎo)航的衛(wèi)星，3顆為活動(dòng)的備用衛(wèi)星。這24顆衛(wèi)星分布在6個(gè)傾角為55°的軌道上繞地球運(yùn)行。衛(wèi)星的運(yùn)行周期約為12恒星時(shí)。每顆GPS工作衛(wèi)星都發(fā)出用于導(dǎo)航定位的信號(hào)。GPS用戶正是利用這些信號(hào)來(lái)進(jìn)行工作的。

控制部分

GPS的控制部分由分布在全球的由若干個(gè)跟蹤站所組成的監(jiān)控系統(tǒng)所構(gòu)成，根據(jù)其作用的不同，這些跟蹤站又被分為主控站、監(jiān)控站和注入站。主控站有一個(gè)，位于美國(guó)克羅拉多(Colorado)的法爾孔(Falcon)空軍基地，它的作用是根據(jù)各監(jiān)控站對(duì)GPS的觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)注入站注入到衛(wèi)星中去;同時(shí)，它還對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，當(dāng)工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時(shí)，調(diào)度備用衛(wèi)星，替代失效的工作衛(wèi)星工作;另外，主控站也具有監(jiān)控站的功能。監(jiān)控站有五個(gè)，除了主控站外，其它四個(gè)分別位于夏威夷(Hawaii)、阿松森群島(Ascension)、迭哥伽西亞(Diego Garcia)、卡瓦加蘭(Kwajalein)，監(jiān)控站的作用是接收衛(wèi)星信號(hào)，監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的工作狀態(tài);注入站有三個(gè)，它們分別位于阿松森群島(Ascension)、迭哥伽西亞(Diego Garcia)、卡瓦加蘭(Kwajalein)，注入站的作用是將主控站計(jì)算出的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘的改正數(shù)等注入到衛(wèi)星中去。

用戶部分(地面接收)

GPS的用戶部分由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備如計(jì)算機(jī)氣象儀器等所組成。它的作用是接收GPS衛(wèi)星所發(fā)出的信號(hào)，利用這些信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位等工作。 以上這三個(gè)部分共同組成了一個(gè)完整的GPS系統(tǒng)。

GPS的信號(hào)

GPS衛(wèi)星發(fā)射兩種頻率的載波信號(hào)，即頻率為1575.42MHz的L1載波和頻率為1227.60MHz的L2載波，它們的頻率分別是基本頻率10.23MHz的154倍和120倍，它們的波長(zhǎng)分別為19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分別調(diào)制著多種信號(hào)，這些信號(hào)主要有:

C/A碼

C/A碼又被稱為粗捕獲碼，它被調(diào)制在L1載波上，是1MHz的偽隨機(jī)噪聲碼(PRN碼)，其碼長(zhǎng)為1023位(周期為1ms)。由于每顆衛(wèi)星的C/A碼都不一樣，因此，我們經(jīng)常用它們的PRN號(hào)來(lái)區(qū)分它們。C/A碼是普通用戶用以測(cè)定測(cè)站到衛(wèi)星間的距離的一種主要的信號(hào)。

P碼

P碼又被稱為精碼，它被調(diào)制在L1和L2載波上，是10MHz的偽隨機(jī)噪聲碼，其周期為七天。在實(shí)施AS時(shí)，P碼與W碼進(jìn)行模二相加生成保密的Y碼，此時(shí)，一般用戶無(wú)法利用P碼來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航定位。

Y碼

見(jiàn)P碼。

導(dǎo)航信息

導(dǎo)航信息被調(diào)制在L1載波上，其信號(hào)頻率為50Hz，包含有GPS衛(wèi)星的軌道參數(shù)、衛(wèi)星鐘改正數(shù)和其它一些系統(tǒng)參數(shù)。用戶一般需要利用此導(dǎo)航信息來(lái)計(jì)算某一時(shí)刻GPS衛(wèi)星在地球軌道上的位置，導(dǎo)航信息也被稱為廣播星歷。

SPS和PPS是GPS系統(tǒng)針對(duì)不同用戶提供兩種不同類型的服務(wù)。一種是標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPSStandard Positioning Service)，另一種是精密定位服務(wù)(PPSPrecision Positioning Service)。這兩種不同類型的服務(wù)分別由兩種不同的子系統(tǒng)提供，標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)由標(biāo)準(zhǔn)定位子系統(tǒng)(SPSStandard Positioning System)提供，精密定位服務(wù)則由精密定位子系統(tǒng)(PPSPrecision Positioning System)提供。

SPS主要面向全世界的民用用戶。

PPS主要面向美國(guó)及其盟國(guó)的軍事部門以及民用的特許用戶。

在GPS定位中，經(jīng)常采用下列觀測(cè)值中的一種或幾種進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以確定出待定點(diǎn)的坐標(biāo)或待定點(diǎn)之間的基線向量:

L1載波相位觀測(cè)值

L2載波相位觀測(cè)值(半波或全波)

調(diào)制在L1上的C/A碼偽距

調(diào)制在L1上的P碼偽距

調(diào)制在L2上的P碼偽距

L1上的多普勒頻移

L2上的多普勒頻移

實(shí)際上，在進(jìn)行GPS定位時(shí)，除了大量地使用上面的觀測(cè)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以外，還經(jīng)常使用由上面的觀測(cè)值通過(guò)某些組合而形成的一些特殊觀測(cè)值，如寬巷觀測(cè)值(Wide-Lane)、窄巷觀測(cè)值(Narrow-Lane)、消除電離層延遲的觀測(cè)值(Ion-Free)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

GPS的誤差

我們?cè)诶肎PS進(jìn)行定位時(shí)，會(huì)受到各種各樣因素的影響。影響GPS定位精度的因素可分為以下四大類:

人為

美國(guó)政府從其國(guó)家利益出發(fā)，通過(guò)降低廣播星歷精度( 技術(shù))、在GPS基準(zhǔn)信號(hào)中加入高頻抖動(dòng)( 技術(shù))等方法，人為降低普通用戶利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí)的精度。

衛(wèi)星星歷誤差

在進(jìn)行GPS定位時(shí)，計(jì)算在某時(shí)刻GPS衛(wèi)星位置所需的衛(wèi)星軌道參數(shù)是通過(guò)各種類型的星歷[7]提供的，但不論采用哪種類型的星歷，所計(jì)算出的衛(wèi)星位置都會(huì)與其真實(shí)位置有所差異，這就是所謂的星歷誤差。

衛(wèi)星鐘差

衛(wèi)星鐘差是GPS衛(wèi)星上所安裝的原子鐘的鐘面時(shí)與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間的誤差。

衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線相位中心偏差

衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線相位中心偏差是GPS衛(wèi)星上信號(hào)發(fā)射天線的標(biāo)稱相位中心與其真實(shí)相位中心之間的差異。

GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會(huì)的方法，確定待測(cè)點(diǎn)的位置。如圖所示，假設(shè)t時(shí)刻在地面待測(cè)點(diǎn)上安置GPS接收機(jī)，可以測(cè)定GPS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間△t，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個(gè)方程式: 上述四個(gè)方程式中待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)x、 y、 z 和Vto為未知參數(shù)，其中di=c△ti (i=1、2、3、4)。

di (i=1、2、3、4) 分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4到接收機(jī)之間的距離。

△ti (i=1、2、3、4) 分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的信號(hào)到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間。

c為GPS信號(hào)的傳播速度(即光速)。

四個(gè)方程式中各個(gè)參數(shù)意義如下:

x、y、z 為待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的空間直角坐標(biāo)。

xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4在t時(shí)刻的空間直角坐標(biāo)，

可由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得。

Vt i (i=1、2、3、4) 分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供。

Vto為接收機(jī)的鐘差。

由以上四個(gè)方程即可解算出待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)x、y、z 和接收機(jī)的鐘差Vto 。

事實(shí)上，接收機(jī)往往可以鎖住4顆以上的衛(wèi)星，這時(shí)，接收機(jī)可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過(guò)算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。

由于衛(wèi)星運(yùn)行軌道、衛(wèi)星時(shí)鐘存在誤差，大氣對(duì)流層、電離層對(duì)信號(hào)的影響，以及人為的SA保護(hù)政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。為提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技術(shù)，建立基準(zhǔn)站(差分臺(tái))進(jìn)行GPS觀測(cè)，利用已知的基準(zhǔn)站精確坐標(biāo)，與觀測(cè)值進(jìn)行比較，從而得出一修正數(shù)，并對(duì)外發(fā)布。接收機(jī)收到該修正數(shù)后，與自身的觀測(cè)值進(jìn)行比較，消去大部分誤差，得到一個(gè)比較準(zhǔn)確的位置。實(shí)驗(yàn)表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。

車用導(dǎo)航系統(tǒng)主要由導(dǎo)航主機(jī)和導(dǎo)航顯示終端兩部分構(gòu)成。內(nèi)置的GPS天線會(huì)接收到來(lái)自環(huán)繞地球的24顆GPS衛(wèi)星中的至少3顆所傳遞的數(shù)據(jù)信息，由此測(cè)定汽車當(dāng)前所處的位置。導(dǎo)航主機(jī)通過(guò)GPS衛(wèi)星信號(hào)確定的位置坐標(biāo)與電子地圖數(shù)據(jù)相匹配，便可確定汽車在電子地圖中的準(zhǔn)確位置。

在此基礎(chǔ)上，將會(huì)實(shí)現(xiàn)行車導(dǎo)航、路線推薦、信息查詢、播放AV/TV等多種功能。駕駛者只須通過(guò)觀看顯示器上的畫(huà)面、收聽(tīng)語(yǔ)音提示，操縱手中的遙控器即可實(shí)現(xiàn)上述功能，從而輕松自如地駕車。