2.5 GPS技术

2.5.1 GPS概述

GPS是全球卫星定位系统（Global Positioning System）的英文简写。它是在“子午仪卫星导航定位”技术上发展起来的具有全球性、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（全球卫星定位系统）起始于20世纪50年代末，是当时的苏联发射的人类第一颗人造地球卫星。美国从1973年开始筹建全球定位系统，于1989年开始发射专用工作卫星，在1994年全部建成并投入使用。GPS能在全球范围内，向任意用户提供高精度、全天候、连续、实时的三维定位、三维测速和授时。

GPS系统具有以下主要特点。

（1）全球性、全天候连续不断的导航能力。GPS能为全球任何地点或近地空间的各类用户提供连续的、全天侯的导航能力，用户不用发射信号，因而能满足无限多的用户使用。

（2）实时导航、定位精度高、数据内容多。利用GPS定位时，在1秒内可以取得几次位置数据，这种近乎实时的导航能力对于高动态用户具有很大意义，同时能为用户提供连续的三维位置、三维速度和精确的时间信息，目前利用C/A码的实时定位精度可达20米～50米，速度精度为0.1米/秒，利用特殊处理可达0.005米/秒，相对定位可达毫米级。

随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20千米以内相对静态定位，仅需15～20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15千米以内时，流动站观测时间只需1～2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒。

（3）抗干扰能力强、保密性好。GPS采用扩频技术和伪码技术，用户只需接收GPS的信号，自身不会发射信号，因而不会受到外界其他信号源的干扰。

（4）功能多、用途广泛。GPS是军民两用的系统，其应用范围极其广泛，在军事上，GPS将成为自动化指挥系统，在民用上可广泛应用于农业、林业、水利、交通、航空、测绘、安全防范、军事、电力、通信、城市多个领域，尤其以地面移动目标监控在GPS应用方面最具代表性和前瞻性。

【小资料】

北斗卫星导航系统（BDS）和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是全球四大卫星导航系统。北斗卫星定位系统是由中国建立的区域导航定位系统，该定位系统可向用户提供全天候、24小时的即时定位服务，其精度与GPS相当。

北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。

自2012年12月27日正式提供区域服务以来，北斗导航区域系统一直在连续、稳定、可靠地运行，全天候、全天时为各类用户提供了大量高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，服务已覆盖全球1/3的陆地，使亚太地区的40亿人口受益。不同于GPS，“北斗”的指挥机和终端之间可以双向交流，如在2008年5月12日汶川大地震救援过程中，北京武警指挥中心和四川武警部队运用“北斗”进行了上百次交流。

2016年6月12日，我国在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭，成功发射了第23颗北斗导航卫星。这颗卫星入轨并完成在轨测试后，将与其他在轨卫星共同提供服务，进一步增强北斗卫星导航系统的稳健性，强化服务能力，为系统服务从区域向全球拓展奠定坚实基础。

2.5.2 GPS系统的构成与分类

GPS系统包括三大部分：空间部分——GPS卫星星座；地面控制部分——地面监控系统；用户设备部分——GPS信号接收机。

1. GPS空间部分

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（距地面约20 000千米）工作卫星构成，其中3颗是用来及时更换老化或损坏的卫星，保障整个系统的正常工作。该卫星系统能够保证地球上任意一地点的GPS用户都能连续地观测到至少4颗卫星，从而提供全球范围从地面到20 000千米高空之间任意一载体高精度的三维位置、三维速度和系统时间信息。

2. GPS地面监控部分

主控站。主控站拥有大型电子计算机，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。其功能是：采集数据、编辑导航电文、诊断功能、调整卫星。

监测站。对每颗卫星进行观测，精确测定卫星在空间的位置，定时向主控站提供观测数据。

注入站。接受主控站送达的改正后的卫星导航电文，并将电文注入飞越其上空的每颗卫星。

3. 用户接收系统

GPS接收机，是一种特殊的无线电接收机，用来接收导航卫星发射的信号，并以此计算出定位数据。GPS接收机一般用蓄电池电源，其主要任务是：捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行；对于接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置、三维速度和时间。用户通过测量到太空各可视卫星的距离来计算它们的当前位置，同时收集到至少4颗卫星的数据时就可以计算出三维坐标、速度和时间。

GPS卫星接收机种类很多，按接收机的用途可做以下分类。

（1）导航型接收机。此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为±10米，有SA影响时为±100米。这类接收机价格便宜，应用广泛。根据应用领域的不同，此类接收机还可以进一步分为：车载型、航海型、航空型、星载型等。

（2）测地型接收机。测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。

（3）授时型接收机。这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通信中时间同步。

2.5.3 GPS在物流中的应用

1. 导航功能

三维导航既是GPS的首要功能，也是它的最基本功能，其他功能都要在导航功能的基础上才能完全发挥作用。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GPS的基础上发展起来的，它由GPS导航、自律导肮、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。由GPS卫星导航和自律导航所测到的汽车位置坐标、前进的方向都与实际行驶的路线轨迹存在一定误差，为修正这两者间的误差，使之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的误差进行实时相关匹配，并做自动修正。此时，地图匹配电路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。

2. 车辆跟踪功能

GPS导航系统与GIS技术、无线移动通信系统（GSM）及计算机车辆管理信息系统相结合，可以实现车辆跟踪功能。利用GPS和GIS技术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。目前，已开发出把GPS/GIS/GSM技术结合起来对车辆进行实时定位、跟踪、报警、通信等的技术，能够满足掌握车辆基本信息、对车辆进行远程管理的需要，有效避免车辆的空载现象，同时客户也能通过互联网技术，了解自己货物在运输过程中的细节情况。

3. 货物配送路线规划功能

货物配送路线规划是GPS导航系统的一项重要辅助功能，包括：自动线路规划——由驾驶员确定起点和终点，由计算机软件按照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；人工线路设计——由驾驶员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。

4. 信息查询

为客户提供主要物标，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、语言及图像的形式显示，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任意目标的所在位置进行查询，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。

5. 话务指挥

指挥中心可以监测区域内车辆的运行状况，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。

6. 紧急援助

通过GPS定位和监控管理系统，指挥中心可以对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急援助。监控台的电子地图可显示求助信息和报警目标，规划出最优援助方案，并以报警声、光提醒值班人员进行应急处理。

【小案例】

利用通信网络，出租车行业的GPS车辆监控调度系统可以实现对车辆的实时调度监控和防劫防盗报警，提高车辆运行的安全性和处理突发事件的能力。系统将GPS车载终端、计价器和IC卡刷卡器（三机合一）有机地结合在一起，通过数据的传输、处理，加强对车辆和司机的管理，为宏观调控和整体规划提高真实准确的数据，真正解决企业在运营管理中遇到的问题，提升整体管理水平和信息化程度。

车载终端通过卫星接收天线收到卫星信号、自动定位后，通过内置手机模块将位置信息发送到总控中心，总控中心接到信息后，提取出位置信息，实时地将车辆的经度、纬度、速度、状态等信息显示在电子地图上。监控中心可以通过通信网络，向车载终端发送控制指令，并以文本和语言的形式发布各种信息。用户通过服务电话，向调度中心进行召车，调度座席录入用户的用车信息，并向符合条件的出租车进行呼叫。司机可以按抢答键进行应召，调度座席生成派车单并发送到应召的车辆，完成电召业务。车载终端根据系统设置，会自动发送报警信号，司机在紧急情况下也可以启动报警开关，连续发送报警信号和位置信息到调度中心GIS终端，当监控中心接到报警信息后，对车辆进行跟踪监听。同时，对其他所有安装车载终端的车辆广播消息，通告出事车辆的情况，并及时转警，有效地保障驾驶员的人身安全。

GPS系统具有高度稳定性，保证全天候运转；具备强大的二次开发功能和灵活的组件，方便客户业务发展需求；同时系统采用权限管理和网络安全措施，保证数据和系统的安全，采用标准协议和先进的高新技术，保证系统的先进型和可扩展性；通过预留技术接口和标准的数据接口，能够与企业的其他信息系统对接并提供大量的实时数据。

（案例来源：轩慧国信http://www.bjxhgx.com/details?id=30&cate=2）

案例点评：利用GPS/GIS定位和语音卡技术，可以实现车辆的智能调度，为司机提供车辆需求信息服务，减少空驶率，进而提高车辆和道路资源的有效利用率，提高出租车行业管理水平和效率，树立良好行业形象。