GPS技術(shù)及其在導(dǎo)航電子地圖中的應(yīng)用

1 衛(wèi)星定位系統(tǒng)技術(shù)內(nèi)容簡介
　
    1.1 GPS技術(shù)系統(tǒng)簡介
　
　　GPS（Global Positioning System）,一般譯為"全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)"，是美國國防部安排部署的，其首要的任務(wù)是為美軍及其盟軍提供全球范圍內(nèi)不間斷的定位、導(dǎo)航等數(shù)據(jù)。其次，也為民用、商用提供定位、導(dǎo)航、測速、授時等數(shù)據(jù)服務(wù)。GPS能為全球任意地點、任意多個用戶同時提供高精度、全天候、連續(xù)、實時的三維定位、三維測速和時間基準(zhǔn)。由于這一系統(tǒng)在定位、導(dǎo)航、測速、授時等方面的高效率、高精度、多功能、易移動、低價格，因此它在地球科學(xué)中應(yīng)用廣泛。
　
    　GPS系統(tǒng)包括GPS衛(wèi)星、GPS監(jiān)控站，以及用戶接收設(shè)備和GPS應(yīng)用軟件等部分。GPS系統(tǒng)目前共有24顆衛(wèi)星分布在6條固定的軌道上，繞地球運行。軌道距地面約20400km，每顆星以12h為周期，連續(xù)向地面發(fā)送關(guān)于時間和自身位置的精確信息。
　
　    由于地球上任一點到衛(wèi)星的距離不等，且都有一組相對應(yīng)的比較確定的數(shù)據(jù)，因此在實際應(yīng)用中在用手持接收器于測式點接收到這一組數(shù)據(jù)信號時，即可用這組數(shù)據(jù)到達的時間差來計算該點相對衛(wèi)星的距離，并以此來確定該點的相對位置，從而達到定位的目的。根據(jù)計算公式，定位有二維和三維之分，二維定位至少需要接收三顆衛(wèi)星的星歷；而三維定位至少要接收四顆衛(wèi)星的星歷。
　   
　　由于手持接收器可以提供精度在25米以內(nèi)的定位信息和誤差在5m/s以內(nèi)的速度信息，因而有些過于精確，為了保障軍事上的安全，美國政府對GPS衛(wèi)星采取了SA（Selective Availability）的技術(shù)進行處理，即對衛(wèi)星向地面發(fā)送的星歷信號進行隨機干擾,使其精度降到了100米。但這又不能滿足一些精度要求比較高的應(yīng)用，于是又采用了一種稱為DGPS（Differential GPS）的技術(shù)進行彌補。使其精度經(jīng)校正能達到50M左右。
    　
　　美國政府為了軍事和政治的目的，同時為了商業(yè)利益，根據(jù)國際形勢的發(fā)展，近幾年來一直在調(diào)整其GPS政策，其中最主要的是SA政策擬將提前終止執(zhí)行。1996年3月底，美國副總統(tǒng)戈爾宣布，"美國將在十年內(nèi)中止執(zhí)行SA政策，并向用戶繼續(xù)免費提供標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（GPS）"，這是美國政府重大的政策改變。美國軍方最近認(rèn)為，隨著美國利用GPS精碼定位（DPS）精度和抗干擾能力的提高，這一終止時間可能會提前。取消SA，民間用戶使用的C/A碼空中信號精度將得到顯著的實質(zhì)上的改善，用戶實時單點定位精度將從現(xiàn)在的50M提高到２0M左右。
    　
　　由于數(shù)字地球規(guī)劃中，美國副總統(tǒng)戈爾公開宣布將建立1M分辨率數(shù)據(jù)庫，以及衛(wèi)星技術(shù)水平的提高，GPS的定位精度還將大幅度提高。
    　
　　1.2 其他衛(wèi)星定位系統(tǒng)
　
    　導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)除美國的GPS衛(wèi)星系統(tǒng)外，能與其比擬的就是俄國的GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)，也是２4顆衛(wèi)星組成的系統(tǒng)，由于經(jīng)費困難，缺乏維護和補充，目前可能有19顆可用，隨著俄國經(jīng)濟的復(fù)蘇和軍事上的需要，將會得到完善和健全。GLONASS系統(tǒng)是開放性，有利于使用，許多GPS生產(chǎn)廠商，為了提高GPS接收機使用性能和精度，都積極地研究GPS與GLONASS結(jié)合雙系統(tǒng)應(yīng)用軟件，充分地利用GLONASS系統(tǒng)，已初見成效。如美國JAVAD公司GPS接收機，利用超級集成技術(shù)，在芯片中集成40個通用信道，把GPS與GLONASS的差異無端地縮小了，結(jié)合起來使用，使觀測衛(wèi)星增多。
　
　　歐洲的GNSS系統(tǒng)：歐洲的策略是--盡可能地利用GPS的星基或空基導(dǎo)航取代陸基導(dǎo)航，以達到最大的成本效益比。但也堅信不能依靠由他國軍方控制的衛(wèi)星系統(tǒng)來實現(xiàn)本國的導(dǎo)航，所以，正在積極建立自己衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS，它的目標(biāo)是分二步走，首先發(fā)展一個民間GNSS－1，其主要內(nèi)容是對現(xiàn)有GPS和GLONASS的星基進行增強，即利用靜止衛(wèi)星，面向歐洲范圍內(nèi)的導(dǎo)航提供服務(wù)，即EGNOS計劃，已于95年啟動，99年實現(xiàn)初始運行能力，2002年實現(xiàn)全運行能力。第二個目標(biāo)建成GNSS－２，從區(qū)域性漸進地擴展成全球系統(tǒng)。日本也正在積極籌劃建立日本的多功能衛(wèi)星增強系統(tǒng)（MSAS）。在我國GPS的開發(fā)研究與應(yīng)用不斷在深化和廣化。特別是建立了全國永久性GPS跟蹤網(wǎng)和相應(yīng)的通訊網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)處理設(shè)施，并發(fā)展成為我國GPS的綜合性服務(wù)體系，為國民經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)和社會進步提供了服務(wù)。GPS接收機制造與生產(chǎn)也從無到有，工藝水平也不斷在提高，價格大大地低于進口的同類產(chǎn)品。在不久的將來我國也將有自己制造和發(fā)射的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。
   
　　2 、GPS技術(shù)系統(tǒng)在導(dǎo)航電子地圖中的應(yīng)用
   
　　2.1 車載導(dǎo)航電子地圖的應(yīng)用例子
　
　　車手司各特曾在舊金山借用了一輛配備"永不迷路"裝置的汽車。那個裝置是一個與GPS接收機相連接的信息圖表顯示器，GPS接收機被安放在駕駛室中不被人注意的地方。他把自己的當(dāng)前地址輸進機器，一張彩色地圖立即顯示在屏幕上，其中那條最明亮的路線就是他前往住所的最佳路線，一個黃色粗箭頭指示汽車行駛的方向，一個帶有鼻音的聲音還不時地告訴他："下一個路口向左轉(zhuǎn)。"他邊開車邊檢查著自己車子所在的位置。在地圖上，汽車是用一個三角圖形表示的，正沿著那條明亮的線路移動…… 　
   
　　2.2 車載導(dǎo)航電子地圖的應(yīng)用原理及其應(yīng)用模式
   
　　2.2.1 車載導(dǎo)航電子地圖的應(yīng)用原理
　　
　　利用GIS中的電子地圖和GPS接收機的實時定位技術(shù)，組成GPS+GIS的各種電子導(dǎo)航系統(tǒng)。
   
　　2.2.2 車載導(dǎo)航電子地圖的應(yīng)用模式
   
　　車載導(dǎo)航電子地圖的應(yīng)用模式主要有如下二種；①　GPS單機定位＋矢量電子地圖。該系統(tǒng)可根據(jù)目標(biāo)位置（工作時輸入）和車船現(xiàn)位置（由GPS測定）自動計算和顯示最佳路徑，引導(dǎo)司機最快地到達目的地，并可用多媒體方式向駕駛員提示。制作矢量地圖數(shù)據(jù)庫需要花費較大成本。②　GPS差分定位＋矢量電子地圖。該系統(tǒng)通過固定站與移動車船之間的兩臺GPS偽距差分技術(shù)，可使定位精度達到1～3M，當(dāng)采用雙向通訊方式時，則可構(gòu)成車船的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，又可將移動車船上的GPS定位結(jié)果準(zhǔn)確實時地傳送到控制中心，并在電子地圖上顯示出來，構(gòu)成交通網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控指揮系統(tǒng)。為了防止在樓群遮擋時收不到足夠的GPS衛(wèi)星信號，在車上除裝有GPS接收機以外，還裝有低價格的壓電振蕩陀螺。利用卡爾曼濾波算法同時處理GPS、里程計和陀螺儀的數(shù)據(jù)來進行運載體的實時定位。
   
　　3 、GPS定位過程簡介

　　GPS結(jié)合電子地圖能夠?qū)崿F(xiàn)城市交通管理、車輛調(diào)度管理，公安、銀行車輛，港口、河流船舶的自動導(dǎo)引與監(jiān)控，具有巨大的應(yīng)用潛力。根據(jù)地形圖制作而成的矢量電子地圖，GPS坐標(biāo)還需經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換才能正確與之匹配。下面將從GPS定位坐標(biāo)系、WGS-84大地坐標(biāo)、地圖投影、平面坐標(biāo)變換等幾方面詳細(xì)討論坐標(biāo)匹配問題。GPS定位過程主要有如下幾個步驟：
　
    （1） 確定用戶的宇宙直角坐標(biāo)系位置，即用戶的X、Y、Z位置。

    （2）宇宙直角坐標(biāo)系至WGS-84大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，既求出用戶的WGS-84大地坐標(biāo)位置λ、φ、h。
   
　（3）坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換，即將球面坐標(biāo)λ、φ、h轉(zhuǎn)換成平面電子地圖投影坐標(biāo)，如高斯-克呂格投影坐標(biāo)。
   
　（4）二維平面相似性變換，即經(jīng)過平移、旋轉(zhuǎn)、縮放運算，達到其與電子地圖的配準(zhǔn)。
　
上述四個過程全部都是由計算機用程序自動計算獲得，具體算法這里介紹從略。
 
　   4 基于GPS和電子地圖的車輛自動導(dǎo)航系統(tǒng)的組成及功能
　
　　4.1 基于GPS和電子地圖的車輛自動導(dǎo)航系統(tǒng)的組成

　　整個GPS電子地圖車輛動態(tài)引導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)成如下圖所示，它由主控計算機、液晶顯示器、語音報警器、遙控器、組合導(dǎo)航處理器、GPS傳感器、速率陀螺儀、光驅(qū)等組成。主控計算機視用戶需求不同，可以是通用計算機，也可以是專用處理器。
　
    　4.2 基于GPS和電子地圖的車輛自動導(dǎo)航系統(tǒng)的功能
　
　　本系統(tǒng)可以實現(xiàn)車、船等運動載體的電子地圖中的實時跟蹤顯示、最優(yōu)路徑選擇及導(dǎo)引、顯示導(dǎo)航信息、地圖檢索、語音提示告警、矢量圖分層顯示及縮放顯示；可以滿足城市車輛，港口、河流、海用船只的導(dǎo)引與監(jiān)視，GPS＋航跡推算組合導(dǎo)航功能即使在信號不正常的條件下也能正確引導(dǎo)。電子地圖存儲于光盤中，可存儲大容量矢量電子地圖。矢量電子地圖生成點陣形式存放于主機內(nèi)存中，可達到地圖檢索和車輛跟蹤的平滑效果。車船行至地圖邊緣時，將自動從光盤中調(diào)入下一幅新的矢量圖，實現(xiàn)自動切換。