GPS相关基础知识

1、定位导航技术的发展历史

按照定位导航所依赖的参照物，定位导航技术的发展分为两个阶段：被动利用参照物阶段和主动建立参照物阶段。

被动利用参照物阶段

主动建立参照物阶段

空基导航系统

地基导航系统

定位导航技术

被动利用参照物阶段：人类综合利用星历知识、指南针和航海表来进行导航和定位。

主动建立参照物阶段：二十世纪后，随着科学技术水平的不断提高，人类的思维从被动地利用宇宙中的参照物（如星体）扩展到主动地建立和利用人为的参照物来开发更精密的导航定位系统。根据人为参照物的位置不同，主动阶段又可分为地基导航系统和空基导航系统。

地基导航系统：地基导航系统主要由在世界各地适当地点建立的位于地面的无线电参考站组成，接收机通过接收这些参考站发射的无线电电波并由此计算接收机到发射站的距离。目前大约有100种不同类型的地基导航系统正在运行，其中最著名的有劳兰系统（Loran C/D）、奥米加系统（OMEGA）、甚高频全向无线电信标系统（VORTAC）等。

由于地基导航系统的无线电发射参考站都建立在地球表面上，因此它们只能用来确定物体的水平位置，即只能进行二维定位，给出位置的经纬度信息。这是地基系统本身固有的缺陷。为了对空间飞行器（如飞机、宇宙飞船、导弹等）进行精密导航，需要确定飞行器的三维位置（水平位置和高度）。显然地基系统不能满足这种需要，于是人类就设想是否可以将无线电发射参考站建立在空中。

空基导航系统：1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星的成功发射使人类将无线电发射参考站建立在空中的设想成为现实，由此天基导航系统应运而生。天基导航系统又称为卫星导航系统。第一代空基导航系统有美国的海军导航卫星系统（NNSS）和前苏联的奇卡达卫星导航系统（Tsikada）。第二代空基导航系统有美国的全球卫星导航系统（GPS）、前苏联建立现属于俄罗斯联邦的GLONASS系统、欧盟尚未投入使用的的伽利略系统(Galileo)。第三代空基导航系统“卫星无线电定位系统”，典型代表是美国正在研制的“吉奥星系统”。 中国正在开发的北斗导航系统也属于第三代空基导航系统（首颗“北斗导航试验卫星”已于2000年10月31日成功发射）。

目前，世界上只有少数发达国家具有自主建设卫星导航系统的能力。中国如今也有了自己的卫星导航定位系统，这是我们中国人的骄傲。

2、GPS历史

卫星导航定位系统实现了全球、全天候、连续、实时、高精度导航定位，对人类活动影响极大，获得了最广泛的应用。就目前的情况来看，GPS仍是卫星导航定位行业中的龙头老大，以至于提起全球卫星导航系统就是GPS。而从严格意义上讲全球卫星导航系统包括GPS、GLONASS、GALILEO、GNSS等所有系统。遵循约定俗成的叫法，本文所提到的GPS专指美国的第二代全球卫星导航系统（GPS）。

1973年美国国防部批准其陆海空三军联合研制第二代卫星导航定位系统——授时与测距导航系统/全球定位系统（Navigation System Timing and Ranging/Global Position System-NAVSTAR/GPS），简称全球定位系统（GPS）。GPS系统设计克服了子午仪系统的缺陷，实现全天候、全球性和高精度的连续导航与定位。

1978年2月22日第一颗GPS实验卫星成功发射。

1978年11月全球定位系统开始定位导航服务。

1993年6月26日最后一颗工作卫星于发射升空。

1995年7月17日，达到全功能应用(full Operational Capability——FOC)

2000年5月1日，美国总统克林顿在白宫宣布解除终止选择提供性政策（SA）。此项决定将立即改善定位精度，单GPS接收机定位精度将好于20米。

从1973年到1993年，GPS系统的建立经历了近20年，耗资过百亿美元，它是继阿波罗登月计划和航天飞机计划后的第三项庞大空间计划 。

3、GPS系统构成

全球定位系统由三部分构成：地面监控部分、空间部分和用户装置部分。

地面控制部分：GPS的地面监控部分目前主要由分布在全球的5个地面站组成，其中包括主控站、卫星检测站和信息注入站。

空间部分：24颗卫星基本均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面相对赤道平面的倾角为55°，各轨道平面之间的交角为60°，每个轨道平面内的卫星相差90°，任一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30°。卫星轨道平均高度为20200km，卫星运行周期为11小时58分。每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目随时间和地点而不同，可为4至11颗。

GPS的空间部分和地面监控部分是用户广泛应用该系统进行导航和定位的基础，均为美国所控制。

用户装置部分：GPS的用户设备主要由接收机硬件和处理软件组成。用户通过用户设备接收GPS卫星信号，经信号处理而获得用户位置、速度等信息，最终实现利用GPS进行导航和定位的目的。 GPS卫星接收机种类很多，根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型；根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。

4、GPS系统定位原理

GPS系统定位的原理主要是测定用户至卫星的距离来定位。测定某点至已知位置的三颗卫星的距离即可确定某点的三维坐标。为什么GPS系统要设计成任何时间都能收到四颗卫星的信号呢？因为GPS接收机中的时钟，不可能设置昂贵的原子钟，所以就利用测定第四颗卫星，来校准GPS接收机的时钟。

1．确知卫星所处的准确位置。

GPS系统场面控制部分的监测站通过各种手段，连续不断监测卫星的运行状态，适时发送控制指令，使卫星保持在正确的运行轨道。将正确的运行轨迹编成星历，注入卫星，且经由卫星发送给GPS接收机。正确接收每个卫星的星历，就可确知卫星的准确位置。

2．确知时间基准

GPS系统在每颗卫星上装置有十分精密的原子钟，并由监测站经常进行校准。卫星发送导航信息，同时也发送精确时间信息。GPS接收机接收此信息，使与自身的时钟同步，就可获得准确的时间。每测量三颗卫星可以定位一个点。利用第四颗卫星和前面三颗卫星的组合，可以测得另一些点。理想情况下，所有测得的点，都应该重合。但实际上，并不完全重合。正是利用这一点反过来可以校准GPS接收机的时钟。

3．测定卫星至用户的距离

为了获得距离观测量，主要采用两种方法：第一种方法是测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间，称为伪距测量；第二种方法是测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波相位测量。采用伪距观测量定位速度最快，而采用载波相位观测量定位精度最高。通过对4颗或4颗以上的卫星同时进行伪距或相位的测量即可推算出接收机的三维位置。

5、GPS系统特点

①全球地面连续覆盖。

由于GPS卫星数目较多且分布合理，所以在地球上任何地点均可连续同步地观测到至少4颗卫星，从而保障了全球、全天候连续实时导航与定位的需要。

②功能多、精度高。

GPS可为各类用户连续地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息。

③实时定位速度快。

目前GPS接收机的一次定位和测速工作在一秒甚至更少的时间内便可完成，这对高动态用户来讲尤其重要。

④抗干扰性能好、保密性强。

由于GPS系统采用了伪码扩频技术，因而GPS卫星所发送的信号具有良好的抗干扰性和保密性。

6、GPS全球定位系统的主要用途

GPS应用于导航——主要是为船舶,汽车,飞机等运动物体进行定位导航。

GPS应用于授时校频——电力，邮电，通讯等网络的时间同步。

GPS应用于高精度测量——地球物理资源勘探、市政规划控制、道路和各种线路放样。

GIS应用于农业——精细农业。

GPS的应用领域，上至航空航天器，下至捕鱼、导游和农业生产，已经无所不在了，海湾战争美军总指挥霍纳将军曾说：“GPS的应用只受到人们想象力的限制”。

7、车用GPS的主要用途

在GPS的诸多应用领域中，车辆应用在各项应用中所占比重最大，约占总数的50％。而GPS车辆应用一般分为两类：GPS车辆跟踪系统和GPS车辆导航系统。

GPS车辆跟踪系统

GPS车辆导航系统

调度指挥

防盗报警

车队管理

GPS车辆应用系统

7.1、 GPS车辆跟踪系统

GPS车辆跟踪系统分为三类：防盗报警（含紧急救援和医疗求助）、调度指挥和车队管理（物流运输）。

GPS车辆跟踪系统综合运用了GPS技术、现代通讯技术和地理信息技术（GIS）。

运用GPS技术，GPS车载终端中的GPS接收器通过接收并处理GPS星座信号定位车辆而得到车辆信息，包括车辆的动态坐标位置（经度、纬度和高度）、时间、状态等。

GPS车载终端一般采用DGPS技术即差分GPS技术来提高车辆定位的精度。GPS车载终端的GPS接收器接收到一个车辆定位信息，监控中心的固定GPS接收器接收到一个监控中心定位信息，监控中心定位信息通过无线通信链路下传到GPS车载终端，GPS车载终端综合分析本身GPS接收器接收到的定位信息和通过无线通信链路接收到的监控中心定位信息，得出车辆的精确定位信息。

运用现代通讯技术，在监控中心和被监控车辆之间建立无线通信链路。通过无线通信链路，监控中心与被监控车辆之间双向传输语音、数据信号。GPS车载终端将车辆信息上传到监控中心。监控中心将特定车辆的控制信息下传到被监控车辆，监控中心工作人员需要与车辆司机通话确认信息等。

从现有的无线通信技术角度看，可选的通信网有：GSM蜂窝移动网、集群或常规网、卫星通信网（铱系统）等。

基于常规通信的车辆监控系统，其设计、组网及使用相对简单，但其作用范围较小；GSM的短信息业务用于定位数据传输，其覆盖范围大、网络可靠性和性能价格比高，可以全国漫游，用户容量大且同时支持数据和话音，非常适合用于GPS车辆监控系统的公众网通信平台，这种方式还可以大大的节省利用语音信道所付出的费用，克服了以往的信道忙、占线等语音通信障碍 ，但是仍避不开不在服务区和没有短信息服务的地方，有时还有一定的延迟，且其呼叫功能无法与集群系统相比；集群系统集群通信方式在用来进行一点对多点的通信中，适用于专用的无线调度指挥网，对某些特殊单位而言具有不可比拟的优势，尤其适用于已建电台，车辆较少，主要用于城市调度,密度要求高的单位，但其建网成本和覆盖范围无法与GSM系统相比。

对于面向社会，容量大、覆盖面广、业务复杂的公众GPS车辆监控系统，则首选GSM。

目前，各地GSM网已开通短消息（SM）服务，GSM和短消息服务的原理和特点如下：

GSM（Group Special Mobile）数字蜂窝移动通信的优点：具有高频谱效率，安全性、稳定性好，集成度高，容量大，开放性接口，抗噪声性能强，业务灵活，覆盖范围广，容易实现全国联网，所有条件下覆盖区域内信号质量都较好，包括高噪声环境，小区无干扰及漫游性能好，移动业务数据可靠率高。

GSM还具有传输点对点短消息业务，并能区分接收短消息的"移动台被呼点对点短消息业务"（SMS－MT/PP）和使GSM用户能向另一个GSM用户发短消息的"移动台呼叫点对点短消息业务"（SMS－MO/PP）以及另一种短消息业务"蜂房广播短消息业务"（SMS－CB），它能以固定时间间隔将一般的短消息向给定地理区域中所有用户广播。短消息业务适合于传输一百六十个字符以下的信息的业务要求。它使用GSM的公共控制信道，通话期间也不影响短消息的传输。短消息业务的优点：传输速度快，单个数据传输价格便宜，不占用话音通讯信道。缺点：增加控制信道的负担，使控制信道的单个用户占有时间增加，系统需作相应的改动。由于短消息业务的众多优点，和GPS系统每次所需传输的数据都在40个字节以下，所以在通信方式上，GSM系统的短消息业务较其它通讯方式更适合“GPS车辆监控系统”的要求。 除山区有少数盲区，其他地方为无缝覆盖。传输时延方面，手机对手机为20秒-30秒（本地传输和异地传输时延基本一致），手机到短消息中心、短消息中心到手机为3秒-5秒。

运用GIS技术，监控中心分析接收到的车辆信息，将车辆的坐标位置转换成地理位置，在电子地图上显示车辆的位置和运行轨迹，记录车辆的位置、速度、时间和状态等车主可能感兴趣的信息。同时监控中心还结合系统中特定车辆的相关信息，向监控车辆发送相应的控制信息，通过无线通信链路下传到被监控车辆，GPS车载终端的控制部分根据所接收到的控制信号控制车辆。

电子地图是GIS技术的关键部分。电子地图为矢量地图，可作无级放大、缩小、分块管理、任意无缝平移、切换、地名文字保持完整性。具有图文互查功能，即输入街道名可调图，单击道路可显示其路名。

在防盗报警类应用中，有两类报警：遇劫报警和防盗报警。遇劫报警时司机通过触动车辆上安装在隐蔽位置的报警开关向监控中心报警，属于人为主动报警；防盗报警时，司机离开车辆时通过遥控器触发GPS车载终端向监控中心提出监控要求，一旦车辆状态改变或者GPS车载终端遭到破坏，监控中心立即做报警处理，属于系统被动报警。司机通过遥控器正常开启车门启动车辆，可触发GPS车载终端向监控中心提出解除监控的要求。

监控中心收到车辆报警信号后给出声光报警提示，同时对报警车辆进行屏幕自动跟踪。显示以报警车为中心的距离标识，根据车辆档案库，显示出报警车辆的各种参数，如编号、车型、车牌、颜色、车主、车主电话等，显示出附近警力配置情况，及救援方案。监控中心工作人员先按登记的各种可能的联络方式（移动电话、固定电话或传呼机等）与车主联络确认警情，确认后向公安110系统报案，同时全程跟踪车辆。监控中心通常与公安110 接警系统或公安GPS/AVL系统相连。监控中心可通过遥控使车辆断电、断油等方式使车辆不能行使，也可让该车发出声光求救信号，协助公安人员破案。当警情处理结束时，监控中心解除车辆的报警。

车辆安装GPS车辆监控系统，可大大降低车辆被盗以及被盗后找回的可能性，增加了机动车盗抢案件的破案率，降低公安部门破案费用；减少车主因车辆被盗被劫造成的损失（保险公司非全额赔偿且处理过程伤心劳神、颇费时日）；对保险公司而言，车辆安装GPS车辆监控系统可大大减少车辆被盗赔付金额，减少车辆事故骗保机会。

在调度指挥应用中，用户主要包括公安、消防、公交、邮政、出租汽车等行业。对调度员来说，在没有卫星定位的情况下，车辆发出去以后，并不知道车辆都在哪儿。调度员心中没数，所以很难进行有效的调度。借助GPS车辆调度指挥系统，调度人员可以掌握详细的车辆动态信息，从而实现高效、科学的调度决策。在出租车行业，当调度中心接到客户要车的电话后，GPS车辆调度指挥系统找出与客户最近的空车，以最快的速度为客户提供服务，同时减少了车辆的空载率。在邮政快递业务中，借助GPS车辆调度指挥系统，调度中心可以实时调度运行中的邮政车。通过GPS自动寻找用户就近的邮政车就近揽投，并向司机提供应揽应投地理位置信息，优化行车路线，提高了揽投速度和客户满意度，提高了车辆的利用率，减少了总的速递车辆，减少了司机和揽收人员，同时做到了快速揽投的承诺。在公交公司行业中，调度员可以通过GPS知道发出的车辆都在什么位置，车速是多少，快点还是晚点，车辆如何分布，而且还能和司机通话，了解路上的情况，采取相应措施，确保车辆的正常周转。另外，公交公司可以实现大范围调度，即线路间车辆调度，而不仅限于线路内车辆调度。

车队管理（物流运输）应用中，主要用户是刚兴起的"第三方物流"以长途货运为主的货运公司。在汽车运输行业，汽车一旦开出，中途很难确切地管理和控制；车辆在运输途中的行驶情况受人为因素的影响较大，行驶站点的时间和路线不能有效的反应，运输的时限难以得到保障；对车辆的运行状态、技术状态不能实时监测和进行有效的管理；在有危险情况时难以确定车辆的地理位置、及时沟通信息、保证安全。总之不能对车辆的作业进行科学规范化的管理。由于不能科学地动态实时地进行调度，难以充分合理利用运能。无法了解车辆的实时车位难以确定离客户最近的车辆实现动态监控。

借助GPS车队管理系统，货运公司可以达到节省能耗、增加效益的目的。首先，可以加强对货运车辆的掌握，彻底解决以往运输中存在的“黑洞问题”，即在货物托运后，货主不知货物所终而又无法查询，同时可以减少货运车辆出发晚点、途中停留等现象的发生，保证运输期限。其次，可以实现对货运部门相关信息的查询，从而加强对空车的调整。第三，可以极大的提高货运组织指挥的灵活性与精确性，为运输指挥决策提供依据。第四，能够将繁琐的货运调度工作图形化、形象化，减轻调度指挥人员的工作强度和信息交换的工作量，提高工作的准确性和效率，降低信息交换的错误率，并实现无纸化办公。第五，“运输可视”可以提高货运公司的效率，增加企业收益。

7.2、 车辆导航系统

GPS车辆导航系统是一种车载自主导航系统，GPS车载终端中的GPS接收器通过接收并处理GPS星座信号定位车辆而得到车辆信息，包括车辆的动态坐标位置（经度、纬度和高度）、时间、状态等，以VCD/DVD光盘或CF卡为介质提供的电子地图，在显示屏上显示出车辆的行驶轨迹。当接近路口、立交桥、隧道等特殊路段时还可进行语音提示，协助司机在不熟悉的地域迅速到达目的地。GPS车辆导航系统还可以提供最佳行驶路线选择及路线偏离报警等功能。

GPS车辆导航系统中的GPS车载终端比GPS车辆监控系统中的GPS车载终端更复杂。

GPS车辆导航系统中的GPS车载终端常通过车载VCD/DVD或CF卡提供电子地图信息，为车主提供完整的定位导航信息，而GPS车辆监控系统中的GPS车载终端只能通过无线通讯链路取得监控中心的帮助为车主提供有限的定位导航信息。

GPS车辆导航系统中的GPS车载终端不依赖监控中心而独立工作，GPS车辆监控系统中的GPS车载终端离不开监控中心，离开监控中心则不起作用。

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