全球卫星定位系统 GPS及其在现代交通运输中的应用
[摘要：本文系统介绍了 GPS的原理和其三大子系统，着重介绍了 GPS系统在 交通 运
输中的 应用 ，包括在道路工程、汽车导航和交通管理中的应用以及其他应用] 一、全球
定位系统 GPS简介
全球卫星定位系统 GPS是美军 70年代初在“子午仪卫星导航定位”技术上 发展 而
起的具有全球性、全能性（陆地、海洋、航空与航天）、全天候性优势的导航定位、定时
、测速系统。GPS由三大子系统构成：空间卫星系统、地面监控系统、用户接收系统。空
间卫星系统
空间卫星系统由均匀分布在 6个轨道平面上的 24颗高轨道工作卫星构成，各轨道平
面相对于赤道平面的倾角为 55Ο，轨道平面间距 60Ο。在每一轨道平面内，各卫星升交
角距差 90Ο，任一轨道上的卫星比西边相邻轨道上的相应卫星超前 30Ο。事实上，空间
卫星系统的卫星数量要超过 24颗，以便及时更换老化或损坏的卫星，保障系统正常工作
。该卫星系统能够保证在地球的任一地点向使用者提供 4颗以上可视卫星。
空间系统的每颗卫星每 12小时（恒星时）沿近圆形轨道绕地球一周，由星载高精度
原子钟（基频 F=）控制无线电发射机在“低噪音窗口”（无线电窗口中，2至 8
区间的频区天线噪声最低的一段是空间遥测及射电干涉测量优先选用频段）附近发射 L1、
L2两种载波，向全球的用户接收系统连续地播发 GPS导航信号。GPS工作卫星组网保障全
球任一时刻、任一地点都可对 4颗以上的卫星进行观测（最多可达 11颗），实现连续、
实时地导航和定位。
GPS卫星向广大用户发送的导航电文是一种不归零的二进制数据码 D（t），码率
fd=50HZ。为了节省卫星的电能、增强 GPS信号的抗干扰性、保密性，实现遥远的卫星通
讯，GPS卫星采用伪噪声码对 D码作二级调制，即先将 D码调制成伪噪声码（P码和 C/A
码），再将上述两噪声码调制在 L1、L2两载波上，形成向用户发射的 GPS射电信号。因
此，GPS信号包括两种载波（L1、L2）和两种伪噪声码（P码、C/A码）。这四种 GPS信号
的频率皆源于 （星载原子钟的基频）的基准频率。基准频率与各信号频率之间存
在一定的比例。其中，P码为精确码，美国为了自身的利益，只供美国军方、政府机关以
及得到美国政府批准的民用用户使用，C/A码为粗码，其定位和时间精度均低于 P码， 目
前 ，全世界的民用客户均可不受限制地免费使用。地面监控系统
地面监控系统由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的 5个监测站、一个主控
站和三个注入站构成。该系统的功能是：对空间卫星系统进行监测、控制，并向每颗卫星
注入更新的导航电文。
地面监控系统各站的主要任务是：监测站
用 GPS接收系统测量每颗卫星的伪距和距离差，采集气象数据，并将观测数据传送给
主控点。5个监控站均为无人守值的数据采集中心。主控站
主控站接收各监测站的 GPS卫星观测数据、卫星工作状态数据、各监测站和注入站自
身的工作状态数据。根据上述各类数据，完成以下几项工作：·及时编算每颗卫星的导航
电文并传送给注入站。·控制和协调监测站间、注入站间的工作，检验注入卫星的导航电
文是否正确以及卫星是否将导航电文发给了 GPS用户系统。·诊断卫星工作状态，改变偏
离轨道的卫星位置及姿态，调整备用卫星取代失效卫星。注入站
接受主控站送达的各卫星导航电文并将之注入飞越其上空的每颗卫星。用户接收系统
用户接收系统主要由以无线电传感和 计算 机技术支撑的 GPS卫星接收机和 GPS数据
处理软件构成。GPS接收机
GPS卫星接收机的基本结构是天线单元和接收单元两部分。天线单元的主要作用是：
当 GPS卫星从地平线上升起时，能捕获、跟踪卫星，接收放大 GPS信号。接收单元的主要
作用是：记录 GPS信号并对信号进行解调和滤波处理，还原出 GPS卫星发送的导航电文，
解求信号在站星间的传播时间和载波相位差，实时地获得导航定位数据或采用测后处理的
方式，获得定位、测速、定时等数据。
微处理器是 GPS接收机的核心，承担整个系统的管理、控制和实时数据处理。视屏监
控器是接收机与操作者进行人机交流的部件。
目前 ，国际上已推出几十种测量用 GPS接收机，各厂商的产品朝着实用、轻便、易
于操作、美观价廉的方向 发展 。GPS数据处理软件
GPS数据处理软件是 GPS用户系统的重要部分，其主要功能是对 GPS接收机获取的卫
星测量记录数据进行“粗加工”、“预处理”，并对处理结果进行平差 计算 、坐标转换
及 分析 综合处理。解得测站的三维坐标，测体的坐标、运动速度、方向及精确时刻。
GPS定位技术是正在发展中的高新技术，数据处理技术也处在不断更新之中，各系列
GPS接收机制造厂家研制的处理软件也各具特色。GPS定位的基本 方法
GPS定位采用空间被动式测量原理，即在测站上安置 GPS用户接收系统，以各种可能
的方式接收 GPS卫星系统发送的各类信号，由计算机求解站星关系和测站的三维坐标。
由对 GPS信号观测量的不同，GPS定位的基本方法有以下几种形式：
·伪距测量
·载波相位测量
·多普勒测量
·卫星射电干涉测量
为了精密定位，一台 GPS接收机往往不是单纯采用一种测量方式，而是以某种方式为
主，并辅以其他方法。
目前，全球定位系统已广泛 应用 于军事和民用等众多领域中。GPS技术按待定点的
状态分为静态定位和动态定位两大类。静态定位是指待定点的位置在观测过程中固定不变
的，如 GPS在大地测量中的应用。动态定位是指待定点在运动载体上，在观测过程中是变
化的，如 GPS在船舶导航中的应用。静态相对定位的精度一般在几毫米几厘米范围内，动
态相对定位的精度一般在几厘米到几米范围内。对 GPS信号的处理从时间上划分为实时处
理及后处理。实时处理就是一边接收卫星信号一边进行计算，获得目前所处的位置、速度
及时间等信息；后处理是指把卫星信号记录在一定的介质上，回到室内统一进行数据处理
。一般来说，静态定位用户多采用后处理，动态定位用户采用实时处理或后处理。 二、
GPS在 交通 运输中的应用 1、GPS在道路工程中的应用
GPS在道路工程中的应用，目前主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控
点等。随着高等级公路的迅速发展，对勘测技术提出了更高的要求，由于线路长，已知点
少，因此，用常规测量手段不仅布网困难，而且难以满足高精度的要求。目前，国内已逐
步采用 GPS技术建立线路首级高精度控制网，如沪宁、沪杭高速公路的上海段就是利用
GPS建立了首级控制网，然后用常规方法布设导线加密。实践证明，在几十公里范围内的
点位误差只有 2cm左右，达到了常规方法难以实现的精度，同时也大大提前了工期。浙江
省测绘局利用 Wild 200 GPS接收机的快速静态定位功能施测了线路的全部初测导线，快
速、高精度的建立了数百公里的高速公路控制网，取得了良好的效果。GPS技术也同样应
用于特大桥梁的控制测量中。由于无需通视，可构成较强的网形，提高点位精度，同时对
检测常规测量的支点也非常有效。如在江阴长江大桥的建设中，首先用常规方法建立了高
精度边角网，然后利用 GPS对该网进行了检测，GPS检测网达到了毫米级精度，与常规精
度网的比较符合较好。GPS技术在隧道测量中具有广泛的应用前景，GPS测量无需通视，
减少了常规方法的中间环节，因此，速度快、精度高，具有明显的 经济 和 社会 效益。
差分动态 GPS在道路勘测方面主要应用于数字地面模型的数据采集、控制点的加密、
中线放样、纵断面测量以及无需外控点的机载 GPS航测等方面。1994年 6月在同济大学试
验了 KART实时相位差分卫星定位系统，在 1km范围内达到了优于 2cm的精度，因此能够
用于线路控制网的加密。GPS测量包含有三维信息，可用于数字地面模型的数据采集、中
线放样以及纵断面测量。在中线平面位置放样的同时，可获得纵断面，在中线放样中需实
时把基准站的数据由数据链传到移动站，从而提供移动站的实时位置，由于 GPS仪器不象
经纬仪那样可以指示方向，因此需与计算机辅助设计系统相结合，从而可在计算机屏幕上
看到目前位置与设计坐标的差异。机载动态差分 GPS应用于航测在德国和加拿大已取得了
成功，用载波相位差分测出每个摄影中心的三维坐标，而不再需要外控点测量，取得了良
好的效果。
2、GPS在汽车导航和 交通 管理中的 应用
三维导航是 GPS的首要功能，飞机、船舶、地面车辆以及步行者都可利用 GPS导航接
收器进行导航。汽车导航系统是在全球定位系统 GPS基础上 发展 起来的一门新型技术。
汽车导航系统由 GPS导航、自律导航、微处理器、车速传感器、陀螺传感器、CD—ROM驱
动器、LCD显示器组成。
GPS导航是由 GPS接收机接收 GPS卫星信号（三颗以上），求出该点的经纬度坐标、
速度、时间等信息。为提高汽车导航定位精度，通常采用差分 GPS技术。当汽车行驶到地
下隧道、高层楼群、高速公路等遮掩物而与捕获不到 GPS卫星信号时，系统可自动导入自
律导航系统，此时由车速传感器检测出汽车的行进速度，通过微处理单元的数据处理，从
速度和时间中直接算出前进的距离，陀螺传感器直接检测出前进的方向，陀螺仪还能自动
存储各种数据，即使在更换轮胎暂时停车时，系统也可以重新设定。
由 GPS卫星导航和自律导航所测到的汽车位置坐标数据、前进的方向都与实际行驶的
路线轨迹存在一定误差，为修正这两者的误差，与地图上的路线统一，需采用地图匹配技
术，加一个地图匹配电路，对汽车行驶的路线与 电子 地图上道路误差进行实时相关匹配
作自动修正，此时地图匹配电路是通过微处理单元的整理程序进行快速处理，得到汽车在
电子地图上的正确位置，以指示出正确行驶路线。CD-ROM用于存储道路数据等信息，LCD
显示器用于显示导航的相关信息。
GPS导航系统与电子地图、无线电通信 网络 及 计算 机车辆管理信息系统相结合，
可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能，这些功能包括：车辆跟踪
利用 GPS和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置，并任意放大、缩小、还原、换
图；可以随目标移动，使目标始终保持在屏幕上；还可实现多窗口、多车辆、多屏幕同时
跟踪。利用该功能可对重要车辆和货物进行跟踪运输。提供出行路线规划和导航
提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要辅助功能，它包括自动线路规划和人工
线路设计。自动线路规划是由驾驶者确定起点和目的地，由计算机软件按要求自动设计最
佳行驶路线，包括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的路线等的计
算。人工线路设计是由驾驶者根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等，自动建立线
路库。线路规划完毕后，显示器能够在电子地图上显示设计线路，并同时显示汽车运行路
径和运行 方法 。信息查询
为用户提供主要物标，如 旅游 景点、宾馆、 医院 等数据库，用户能够在电子地图
上根据需要进行查询。查询资料可以文字、语言及图象的形式显示，并在电子地图上显示
其位置。同时，监测中心可以利用监测控制台对区域内的任意目标所在位置进行查询，车
辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图上显示出来。（4）话务指挥
指挥中心可以监测区域内车辆运行状况，对被监控车辆进行合理调度。指挥中心也可
随时与被跟踪目标通话，实行管理。（5）紧急援助
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。监控
台的电子地图显示求助信息和报警目标，规划最优援助方案，并以报警声光提醒值班人员
进行应急处理。
GPS技术在汽车导航和交通管理工程中的 研究 与应用 目前 在 中国 刚刚起步，而
国外在这方面的研究早已开始并已取得了一定的成果。加拿大卡尔加里大学设计了一种动
态定位系统，该系统包括一台捷联式惯性系统，两台 GPS接收机和一台微机，可测定已有
道路的线形参数，为道路管理系统服务。美国研制了应用于城市的道路交通管理系统，该
系统利用 GPS和 GIS建立道路数据库，在数据库中包含有各种现时的数据资料，如道路的
准确位置、路面状况、沿路设施等，该系统于 1995年正式运行，为城市道路交通管理起
到重要作用。近些年来国外研制了各种用于车辆诱导的系统，其中车辆位置的实时确定以
往主要依据惯性测量系统以及车轮传感器，随着 GPS的发展和所显示出的优越性，有取代
前两种方法的趋势。用于城市车辆诱导的 GPS定位一般是在城市中设立一个基准站，车载
GPS实时接收 基准站发射的信息，经过差分处理便可计算出实时位置，把目前所处位置与
所要到达的目标在道路网中进行优化计算，便可在道路电子地图上显示出到达目标的最优
化路线，为公安、消防、抢修、急救等车辆服务。
3、GPS的其他 应用 GPS除了用于导航、定位、测量外，由于 GPS系统的空间卫星上
载有的精确时钟可以发布时间和频率信息，因此，以空间卫星上的精确时钟为基础，在地
面监测站的监控下，传送精确时间和频率是 GPS的另一重要应用，应用该功能可进行精确
时间或频率控制，可为许多工程实验服务。此外，据国外资料显示，还可利用 GPS获得气
象数据，为某些试验和工程应用。
全球定位系统 GPS是近年来开发的最具有开创意义的高新技术之一，其全球性、全能
性、全天候性的导航定位、定时、测速优势必然会在诸多领域中得到越来越广泛的应用。
在发达国家，GPS技术已经开始应用于 交通 运输和道路工程之中。 目前 ，GPS技术在
我国道路工程和交通管理中的应用还刚刚起步，相信随着我国 经济 的 发展 ，高等级公
路的快速修建和 GPS技术应用 研究 的逐步深入，其在道路工程中的应用也会更加广泛和
深入，并发挥更大的作用。
