2.5 GPS技術

2.5.1 GPS概述

GPS是全球衛星定位系統（Global Positioning System）的英文簡寫。它是在“子午儀衛星導航定位”技術上發展起來的具有全球性、全能性（陸地、海洋、航空與航天）、全天候性優勢的導航定位、定時、測速系統。

GPS（全球衛星定位系統）起始于20世紀50年代末，是當時的蘇聯發射的人類第一顆人造地球衛星。美國從1973年開始籌建全球定位系統，于1989年開始發射專用工作衛星，在1994年全部建成并投入使用。GPS能在全球范圍內，向任意用戶提供高精度、全天候、連續、實時的三維定位、三維測速和授時。

GPS系統具有以下主要特點。

（1）全球性、全天候連續不斷的導航能力。GPS能為全球任何地點或近地空間的各類用戶提供連續的、全天侯的導航能力，用戶不用發射信號，因而能滿足無限多的用戶使用。

（2）實時導航、定位精度高、數據內容多。利用GPS定位時，在1秒內可以取得幾次位置數據，這種近乎實時的導航能力對于高動態用戶具有很大意義，同時能為用戶提供連續的三維位置、三維速度和精確的時間信息，目前利用C/A碼的實時定位精度可達20米～50米，速度精度為0.1米/秒，利用特殊處理可達0.005米/秒，相對定位可達毫米級。

隨著GPS系統的不斷完善，軟件的不斷更新，目前，20千米以內相對靜態定位，僅需15～20分鐘；快速靜態相對定位測量時，當每個流動站與基準站相距在15千米以內時，流動站觀測時間只需1～2分鐘，然后可隨時定位，每站觀測只需幾秒。

（3）抗干擾能力強、保密性好。GPS采用擴頻技術和偽碼技術，用戶只需接收GPS的信號，自身不會發射信號，因而不會受到外界其他信號源的干擾。

（4）功能多、用途廣泛。GPS是軍民兩用的系統，其應用范圍極其廣泛，在軍事上，GPS將成為自動化指揮系統，在民用上可廣泛應用于農業、林業、水利、交通、航空、測繪、安全防范、軍事、電力、通信、城市多個領域，尤其以地面移動目標監控在GPS應用方面最具代表性和前瞻性。

【小資料】

北斗衛星導航系統（BDS）和美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO，是全球四大衛星導航系統。北斗衛星定位系統是由中國建立的區域導航定位系統，該定位系統可向用戶提供全天候、24小時的即時定位服務，其精度與GPS相當。

北斗衛星導航系統由空間段、地面段和用戶段三部分組成，空間段包括5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星，地面段包括主控站、注入站和監測站等若干個地面站，用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛星導航系統兼容的終端。

自2012年12月27日正式提供區域服務以來，北斗導航區域系統一直在連續、穩定、可靠地運行，全天候、全天時為各類用戶提供了大量高精度、高可靠的定位、導航、授時服務，服務已覆蓋全球1/3的陸地，使亞太地區的40億人口受益。不同于GPS，“北斗”的指揮機和終端之間可以雙向交流，如在2008年5月12日汶川大地震救援過程中，北京武警指揮中心和四川武警部隊運用“北斗”進行了上百次交流。

2016年6月12日，我國在西昌衛星發射中心用長征三號丙運載火箭，成功發射了第23顆北斗導航衛星。這顆衛星入軌并完成在軌測試后，將與其他在軌衛星共同提供服務，進一步增強北斗衛星導航系統的穩健性，強化服務能力，為系統服務從區域向全球拓展奠定堅實基礎。

2.5.2 GPS系統的構成與分類

GPS系統包括三大部分：空間部分——GPS衛星星座；地面控制部分——地面監控系統；用戶設備部分——GPS信號接收機。

1. GPS空間部分

空間衛星系統由均勻分布在6個軌道平面上的24顆高軌道（距地面約20 000千米）工作衛星構成，其中3顆是用來及時更換老化或損壞的衛星，保障整個系統的正常工作。該衛星系統能夠保證地球上任意一地點的GPS用戶都能連續地觀測到至少4顆衛星，從而提供全球范圍從地面到20 000千米高空之間任意一載體高精度的三維位置、三維速度和系統時間信息。

2. GPS地面監控部分

主控站。主控站擁有大型電子計算機，接收各監測站的GPS衛星觀測數據、衛星工作狀態數據、各監測站和注入站自身的工作狀態數據。其功能是：采集數據、編輯導航電文、診斷功能、調整衛星。

監測站。對每顆衛星進行觀測，精確測定衛星在空間的位置，定時向主控站提供觀測數據。

注入站。接受主控站送達的改正后的衛星導航電文，并將電文注入飛越其上空的每顆衛星。

3. 用戶接收系統

GPS接收機，是一種特殊的無線電接收機，用來接收導航衛星發射的信號，并以此計算出定位數據。GPS接收機一般用蓄電池電源，其主要任務是：捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號，并跟蹤這些衛星的運行；對于接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛星到接收天線的傳播時間，解譯出GPS衛星所發送的導航電文，實時地計算出測站的三維位置、三維速度和時間。用戶通過測量到太空各可視衛星的距離來計算它們的當前位置，同時收集到至少4顆衛星的數據時就可以計算出三維坐標、速度和時間。

GPS衛星接收機種類很多，按接收機的用途可做以下分類。

（1）導航型接收機。此類型接收機主要用于運動載體的導航，它可以實時給出載體的位置和速度。這類接收機一般采用C/A碼偽距測量，單點實時定位精度較低，一般為±10米，有SA影響時為±100米。這類接收機價格便宜，應用廣泛。根據應用領域的不同，此類接收機還可以進一步分為：車載型、航海型、航空型、星載型等。

（2）測地型接收機。測地型接收機主要用于精密大地測量和精密工程測量。這類儀器主要采用載波相位觀測值進行相對定位，定位精度高。儀器結構復雜，價格較貴。

（3）授時型接收機。這類接收機主要利用GPS衛星提供的高精度時間標準進行授時，常用于天文臺及無線電通信中時間同步。

2.5.3 GPS在物流中的應用

1. 導航功能

三維導航既是GPS的首要功能，也是它的最基本功能，其他功能都要在導航功能的基礎上才能完全發揮作用。飛機、船舶、地面車輛以及步行者都可利用GPS導航接收器進行導航。汽車導航系統是在GPS的基礎上發展起來的，它由GPS導航、自律導骯、微處理器、車速傳感器、陀螺傳感器、CD-ROM驅動器、LCD顯示器組成。由GPS衛星導航和自律導航所測到的汽車位置坐標、前進的方向都與實際行駛的路線軌跡存在一定誤差，為修正這兩者間的誤差，使之與地圖上的路線統一，需采用地圖匹配技術，加一個地圖匹配電路，對汽車行駛的路線與電子地圖上道路的誤差進行實時相關匹配，并做自動修正。此時，地圖匹配電路通過微處理單元的整理程序進行快速處理，得到汽車在電子地圖上的正確位置，以指示出正確行駛路線。CD-ROM用于存儲道路數據等信息，LCD顯示器用于顯示導航的相關信息。

2. 車輛跟蹤功能

GPS導航系統與GIS技術、無線移動通信系統（GSM）及計算機車輛管理信息系統相結合，可以實現車輛跟蹤功能。利用GPS和GIS技術可以實時顯示出車輛的實際位置，并任意放大、縮小、還原、換圖；可以隨目標移動，使目標始終保持在屏幕上，還可實現多窗口、多車輛、多屏幕同時跟蹤，利用該功能可對重要車輛和貨物進行跟蹤運輸。目前，已開發出把GPS/GIS/GSM技術結合起來對車輛進行實時定位、跟蹤、報警、通信等的技術，能夠滿足掌握車輛基本信息、對車輛進行遠程管理的需要，有效避免車輛的空載現象，同時客戶也能通過互聯網技術，了解自己貨物在運輸過程中的細節情況。

3. 貨物配送路線規劃功能

貨物配送路線規劃是GPS導航系統的一項重要輔助功能，包括：自動線路規劃——由駕駛員確定起點和終點，由計算機軟件按照要求自動設計最佳行駛路線，包括最快的路線、最簡單的路線、通過高速公路路段次數最少的路線等；人工線路設計——由駕駛員根據自己的目的地設計起點、終點和途經點等，自動建立線路庫，線路規劃完畢后，顯示器能夠在電子地圖上顯示設計線路，并同時顯示汽車運行路徑和運行方法。

4. 信息查詢

為客戶提供主要物標，如旅游景點、賓館、醫院等數據庫，用戶能夠在電子地圖上根據需要進行查詢。查詢資料可以文字、語言及圖像的形式顯示，并在電子地圖上顯示其位置。同時，監測中心可以利用監測控制臺對區域內任意目標的所在位置進行查詢，車輛信息將以數字形式在控制中心的電子地圖上顯示出來。

5. 話務指揮

指揮中心可以監測區域內車輛的運行狀況，對被監控車輛進行合理調度。指揮中心也可隨時與被跟蹤目標通話，實行管理。

6. 緊急援助

通過GPS定位和監控管理系統，指揮中心可以對遇有險情或發生事故的車輛進行緊急援助。監控臺的電子地圖可顯示求助信息和報警目標，規劃出最優援助方案，并以報警聲、光提醒值班人員進行應急處理。

【小案例】

利用通信網絡，出租車行業的GPS車輛監控調度系統可以實現對車輛的實時調度監控和防劫防盜報警，提高車輛運行的安全性和處理突發事件的能力。系統將GPS車載終端、計價器和IC卡刷卡器（三機合一）有機地結合在一起，通過數據的傳輸、處理，加強對車輛和司機的管理，為宏觀調控和整體規劃提高真實準確的數據，真正解決企業在運營管理中遇到的問題，提升整體管理水平和信息化程度。

車載終端通過衛星接收天線收到衛星信號、自動定位后，通過內置手機模塊將位置信息發送到總控中心，總控中心接到信息后，提取出位置信息，實時地將車輛的經度、緯度、速度、狀態等信息顯示在電子地圖上。監控中心可以通過通信網絡，向車載終端發送控制指令，并以文本和語言的形式發布各種信息。用戶通過服務電話，向調度中心進行召車，調度座席錄入用戶的用車信息，并向符合條件的出租車進行呼叫。司機可以按搶答鍵進行應召，調度座席生成派車單并發送到應召的車輛，完成電召業務。車載終端根據系統設置，會自動發送報警信號，司機在緊急情況下也可以啟動報警開關，連續發送報警信號和位置信息到調度中心GIS終端，當監控中心接到報警信息后，對車輛進行跟蹤監聽。同時，對其他所有安裝車載終端的車輛廣播消息，通告出事車輛的情況，并及時轉警，有效地保障駕駛員的人身安全。

GPS系統具有高度穩定性，保證全天候運轉；具備強大的二次開發功能和靈活的組件，方便客戶業務發展需求；同時系統采用權限管理和網絡安全措施，保證數據和系統的安全，采用標準協議和先進的高新技術，保證系統的先進型和可擴展性；通過預留技術接口和標準的數據接口，能夠與企業的其他信息系統對接并提供大量的實時數據。

（案例來源：軒慧國信http://www.bjxhgx.com/details?id=30&cate=2）

案例點評：利用GPS/GIS定位和語音卡技術，可以實現車輛的智能調度，為司機提供車輛需求信息服務，減少空駛率，進而提高車輛和道路資源的有效利用率，提高出租車行業管理水平和效率，樹立良好行業形象。