GPS技术及其在导航电子地 中的应用

1 卫星定位系统技术内容简介

1.1 GPS技术系统简介
　
　　GPS（Global Positioning System）,一般译为"全球卫星定位系统"，是美国国防部安排部署的，其首要的任务是为美军及其盟军提供全球范围内不间断的定位、导航等数据。其次，也为民用、商用提供定位、导航、测速、授时等数据服务。GPS能为全球任意地点、任意多个用户同时提供高精度、全天候、连续、实时的三维定位、三维测速和时间基准。由于这一系统在定位、导航、测速、授时等方面的高效率、高精度、多功能、易移动、低价格，因此它在地球科学中应用广泛。
　
    　GPS系统包括GPS卫星、GPS监控站，以及用户接收设备和GPS应用软件等部分。GPS系统目前共有24颗卫星分布在6条固定的轨道上，绕地球运行。轨道距地面约20400km，每颗星以12h为周期，连续向地面发送关于时间和自身位置的精确信息。
　
　    由于地球上任一点到卫星的距离不等，且都有一组相对应的比较确定的数据，因此在实际应用中在用手持接收器于测式点接收到这一组数据信号时，即可用这组数据到达的时间差来计算该点相对卫星的距离，并以此来确定该点的相对位置，从而达到定位的目的。根据计算公式，定位有二维和三维之分，二维定位至少需要接收三颗卫星的星历；而三维定位至少要接收四颗卫星的星历。
　   
　　由于手持接收器可以提供精度在25米以内的定位信息和误差在5m/s以内的速度信息，因而有些过于精确，为了保障军事上的安全，美国政府对GPS卫星采取了SA（Selective Availability）的技术进行处理，即对卫星向地面发送的星历信号进行随机干扰,使其精度降到了100米。但这又不能满足一些精度要求比较高的应用，于是又采用了一种称为DGPS（Differential GPS）的技术进行弥补。使其精度经校正能达到50M左右。
    　
　　美国政府为了军事和政治的目的，同时为了商业利益，根据国际形势的发展，近几年来一直在调整其GPS政策，其中最主要的是SA政策拟将提前终止执行。1996年3月底，美国副总统戈尔宣布，"美国将在十年内中止执行SA政策，并向用户继续免费提供标准定位服务（GPS）"，这是美国政府重大的政策改变。美国军方最近认为，随着美国利用GPS精码定位（DPS）精度和抗干扰能力的提高，这一终止时间可能会提前。取消SA，民间用户使用的C/A码空中信号精度将得到显著的实质上的改善，用户实时单点定位精度将从现在的50M提高到２0M左右。

由于数字地球规划中，美国副总统戈尔公开宣布将建立1M分辨率数据库，以及卫星技术水平的提高，GPS的定位精度还将大幅度提高。
    　
　　1.2 其他卫星定位系统
　
    　导航卫星系统除美国的GPS卫星系统外，能与其比拟的就是俄国的GLONASS卫星系统，也是２4颗卫星组成的系统，由于经费困难，缺乏维护和补充，目前可能有19颗可用，随着俄国经济的复苏和军事上的需要，将会得到完善和健全。GLONASS系统是开放性，有利于使用，许多GPS生产厂商，为了提高GPS接收机使用性能和精度，都积极地研究GPS与GLONASS结合双系统应用软件，充分地利用GLONASS系统，已初见成效。如美国JAVAD公司GPS接收机，利用超级集成技术，在芯片中集成40个通用信道，把GPS与GLONASS的差异无端地缩小了，结合起来使用，使观测卫星增多。
　
　　欧洲的GNSS系统：欧洲的策略是--尽可能地利用GPS的星基或空基导航取代陆基导航，以达到最大的成本效益比。但也坚信不能依靠由他国军方控制的卫星系统来实现本国的导航，所以，正在积极建立自己卫星导航系统GNSS，它的目标是分二步走，首先发展一个民间GNSS－1，其主要内容是对现有GPS和GLONASS的星基进行增强，即利用静止卫星，面向欧洲范围内的导航提供服务，即EGNOS计划，已于95年启动，99年实现初始运行能力，2002年实现全运行能力。第二个目标建成GNSS－２，从区域性渐进地扩展成全球系统。日本也正在积极筹划建立日本的多功能卫星增强系统（MSAS）。在我国GPS的开发研究与应用不断在深化和广化。特别是建立了全国永久性GPS跟踪网和相应的通讯网络和数据处理设施，并发展成为我国GPS的综合性服务体系，为国民经济建设、国防建设和社会进步提供了服务。GPS接收机制造与生产也从无到有，工艺水平也不断在提高，价格大大地低于进口的同类产品。在不久的将来我国也将有自己制造和发射的卫星导航定位系统。
   
　　2 、GPS技术系统在导航电子地图中的应用
   
　　2.1 车载导航电子地图的应用例子
　
　　车手司各特曾在旧金山借用了一辆配备"永不迷路"装置的汽车。那个装置是一个与GPS接收机相连接的信息图表显示器，GPS接收机被安放在驾驶室中不被人注意的地方。他把自己的当前地址输进机器，一张彩色地图立即显示在屏幕上，其中那条最明亮的路线就是他前往住所的最佳路线，一个黄色粗箭头指示汽车行驶的方向，一个带有鼻音的声音还不时地告诉他："下一个路口向左转。"他边开车边检查着自己车子所在的位置。在地图上，汽车是用一个三角图形表示的，正沿着那条明亮的线路移动…… 　
   
　　2.2 车载导航电子地图的应用原理及其应用模式
   
　　2.2.1 车载导航电子地图的应用原理
　　
　　利用GIS中的电子地图和GPS接收机的实时定位技术，组成GPS+GIS的各种电子导航系统。
   
　　2.2.2 车载导航电子地图的应用模式
   
　　车载导航电子地图的应用模式主要有如下二种；①　GPS单机定位＋矢量电子地图。该系统可根据目标位置（工作时输入）和车船现位置（由GPS测定）自动计算和显示最佳路径，引导司机最快地到达目的地，并可用多媒体方式向驾驶员提示。制作矢量地图数据库需要花费较大成本。②　GPS差分定位＋矢量电子地图。该系统通过固定站与移动车船之间的两台GPS伪距差分技术，可使定位精度达到1～3M，当采用双向通讯方式时，则可构成车船的自动导航系统，又可将移动车船上的GPS定位结果准确实时地传送到控制中心，并在电子地图上显示出来，构成交通网络监控指挥系统。为了防止在楼群遮挡时收不到足够的GPS卫星信号，在车上除装有GPS接收机以外，还装有低价格的压电振荡陀螺。利用卡尔曼滤波算法同时处理GPS、里程计和陀螺仪的数据来进行运载体的实时定位。
   
　　3 、GPS定位过程简介

GPS结合电子地图能够实现城市交通管理、车辆调度管理，公安、银行车辆，港口、河流船舶的自动导引与监控，具有巨大的应用潜力。根据地形图制作而成的矢量电子地图，GPS坐标还需经过坐标转换才能正确与之匹配。下面将从GPS定位坐标系、WGS-84大地坐标、地图投影、平面坐标变换等几方面详细讨论坐标匹配问题。GPS定位过程主要有如下几个步骤：

（1） 确定用户的宇宙直角坐标系位置，即用户的X、Y、Z位置。

（2）宇宙直角坐标系至WGS-84大地坐标系的转换，既求出用户的WGS-84大地坐标位置λ、φ、h。

（3）坐标投影转换，即将球面坐标λ、φ、h转换成平面电子地图投影坐标，如高斯-克吕格投影坐标。

（4）二维平面相似性变换，即经过平移、旋转、缩放运算，达到其与电子地图的配准。

上述四个过程全部都是由计算机用程序自动计算获得，具体算法这里介绍从略。

4 基于GPS和电子地图的车辆自动导航系统的组成及功能
　
　　4.1 基于GPS和电子地图的车辆自动导航系统的组成

整个GPS电子地图车辆动态引导系统构成如下图所示，它由主控计算机、液晶显示器、语音报警器、遥控器、组合导航处理器、GPS传感器、速率陀螺仪、光驱等组成。主控计算机视用户需求不同，可以是通用计算机，也可以是专用处理器。
　
    　4.2 基于GPS和电子地图的车辆自动导航系统的功能
　
　　本系统可以实现车、船等运动载体的电子地图中的实时跟踪显示、最优路径选择及导引、显示导航信息、地图检索、语音提示告警、矢量图分层显示及缩放显示；可以满足城市车辆，港口、河流、海用船只的导引与监视，GPS＋航迹推算组合导航功能即使在信号不正常的条件下也能正确引导。电子地图存储于光盘中，可存储大容量矢量电子地图。矢量电子地图生成点阵形式存放于主机内存中，可达到地图检索和车辆跟踪的平滑效果。车船行至地图边缘时，将自动从光盘中调入下一幅新的矢量图，实现自动切换。