GPS(Global Positioning System)即全球定位系統(tǒng)，是由美國建立的一個衛(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)時的三維導(dǎo)航定位和測速;另外，利用該系統(tǒng)，用戶還能夠進(jìn)行高精度的時間傳遞和高精度的精密定位。
現(xiàn)實(shí)生活中，GPS定位主要用于對移動的人、寵物、車及設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時定位監(jiān)控的一門技術(shù)。GPS定位是結(jié)合了GPS技術(shù)、無線通信技術(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小時監(jiān)控所有被控車輛的實(shí)時位置、行駛方向、行駛速度，以便最及時的掌握車輛的狀況。
2.軌跡回放
監(jiān)控中心能隨時回放近60天內(nèi)的自定義時段車輛歷史行程、軌跡記錄。(根據(jù)情況，可選配軌跡DVD刻錄服務(wù))
3.報警(報告)
3.1，超速報警:車輛行駛速度超出監(jiān)控中心預(yù)設(shè)的速度時，及時上報監(jiān)控中心
3.2，區(qū)域報警(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)域會向監(jiān)控調(diào)度中心給出相應(yīng)的報警
3.3，停車報告:調(diào)度中心可對車輛的歷史停車記錄以文字形式生成報表，其中描述車輛的停車地點(diǎn)、時間和開車時間等信息，并可對其進(jìn)行打印。
3.4，應(yīng)急報警: 一旦遇有緊急險情(如遭劫等)，請馬上按動應(yīng)急報警按鈕，向監(jiān)管中心報警，監(jiān)管中心即刻會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。(注:一旦應(yīng)急報警按鈕啟動，此設(shè)備會立即關(guān)閉通話功能，但短信功能正常)
3.5，欠壓報警，當(dāng)汽車電瓶電壓過低時，車載主機(jī)會自動向監(jiān)控中心報警，由監(jiān)控中心值班員提醒用戶及時給車輛充電。
3.6，剪線報警，車輛主電瓶被破壞后或不能供電時，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
系統(tǒng)利用GPS車載終端的行駛記錄功能和GIS地理系統(tǒng)原理對車輛進(jìn)行行駛里程統(tǒng)計，并可生成報表且可打印。
6.車輛信息管理
方便易用的管理平臺，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警或狀態(tài)信息在必要時發(fā)送到管理者手機(jī)上，以便隨時隨地掌握車輛重要狀態(tài)信息。
8.車輛遠(yuǎn)程控制
監(jiān)控中心可隨時對車輛進(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碼。
10.油耗檢測
實(shí)時監(jiān)控車輛的油耗變化，并生成歷史時段油量變化報表或油量曲線圖，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定調(diào)度范圍，GPS系統(tǒng)自動向車輛或者畫定范圍內(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)還可對每輛車成功調(diào)度次數(shù)進(jìn)行月統(tǒng)計。
智能自檢
車載終端可以進(jìn)行自我診斷，一旦發(fā)生故障，就會向中心發(fā)出故障通知，方便工作人員維修，確保設(shè)備正常工作。
GPS計劃始于1973年 ，已于1994年進(jìn)入完全運(yùn)行狀態(tài)。GPS的整個系統(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顆為活動的備用衛(wèi)星。這24顆衛(wèi)星分布在6個傾角為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。每顆GPS工作衛(wèi)星都發(fā)出用于導(dǎo)航定位的信號。GPS用戶正是利用這些信號來進(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，位于美國克羅拉多(Colorado)的法爾孔(Falcon)空軍基地，它的作用是根據(jù)各監(jiān)控站對GPS的觀測數(shù)據(jù)，計算出衛(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)通過注入站注入到衛(wèi)星中去;同時，它還對衛(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，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，除了主控站外，其它四個分別位于夏威夷(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，監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀態(tài);注入站有三個，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，利用這些信號進(jìn)行導(dǎo)航定位等工作。 以上這三個部分共同組成了一個完整的GPS系統(tǒng)。
GPS的信號
GPS衛(wèi)星發(fā)射兩種頻率的載波信號，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，它們的波長分別為19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分別調(diào)制著多種信號，這些信號主要有:
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號來區(qū)分它們。C/A碼是普通用戶用以測定測站到衛(wèi)星間的距離的一種主要的信號。
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，P碼與W碼進(jìn)行模二相加生成保密的Y碼，此時，一般用戶無法利用P碼來進(jìn)行導(dǎo)航定位。
Y碼
見P碼。
導(dǎo)航信息
導(dǎo)航信息被調(diào)制在L1載波上，其信號頻率為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)航信息來計算某一時刻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主要面向美國及其盟國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載波相位觀測值
L2載波相位觀測值(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，除了大量地使用上面的觀測值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以外，還經(jīng)常使用由上面的觀測值通過某些組合而形成的一些特殊觀測值，如寬巷觀測值(Wide-Lane)、窄巷觀測值(Narrow-Lane)、消除電離層延遲的觀測值(Ion-Free)來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
GPS的誤差
我們在利用GPS進(jìn)行定位時，會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
美國政府從其國家利益出發(fā)，通過降低廣播星歷精度( 技術(shù))、在GPS基準(zhǔn)信號中加入高頻抖動( 技術(shù))等方法，人為降低普通用戶利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航定位時的精度。
衛(wèi)星星歷誤差
在進(jìn)行GPS定位時，計算在某時刻GPS衛(wèi)星位置所需的衛(wèi)星軌道參數(shù)是通過各種類型的星歷[7]提供的，但不論采用哪種類型的星歷，所計算出的衛(wèi)星位置都會與其真實(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與GPS標(biāo)準(zhǔn)時間之間的誤差。
衛(wèi)星信號發(fā)射天線相位中心偏差
衛(wèi)星信號發(fā)射天線相位中心偏差是GPS衛(wèi)星上信號發(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的方法，確定待測點(diǎn)的位置。如圖所示，假設(shè)t時刻在地面待測點(diǎn)上安置GPS接收機(jī)，可以測定GPS信號到達(dá)接收機(jī)的時間△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)可以確定以下四個方程式: 上述四個方程式中待測點(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的信號到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時間。
c為GPS信號的傳播速度(即光速)。
四個方程式中各個參數(shù)意義如下:
x、y、z 為待測點(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。
由以上四個方程即可解算出待測點(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，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)星時鐘存在誤差，大氣對流層、電離層對信號的影響，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)進(jìn)行GPS觀測，利用已知的基準(zhǔn)站精確坐標(biāo)，與觀測值進(jìn)行比較，從而得出一修正數(shù)，并對外發(fā)布。接收機(jī)收到該修正數(shù)后，與自身的觀測值進(jìn)行比較，消去大部分誤差，得到一個比較準(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天線會接收到來自環(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，由此測定汽車當(dāng)前所處的位置。導(dǎo)航主機(jī)通過GPS衛(wèi)星信號確定的位置坐標(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。駕駛者只須通過觀看顯示器上的畫面、收聽語音提示，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。
