图4-10　喷墨绘图机

GPS是Global Positioning System的简称，即全球卫星定位系统。全球定位系统是20世纪70年代由美国陆、海、空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。当时主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，主要用于情报收集、核爆监测和应急通信等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。通常意义上的GPS是指美国全球卫星定位系统。GPS的原理就是，24颗GPS卫星在离地面1.2万千米的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得使用者在任意时刻、在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。由于卫星的位置是精确可知的，所以在GPS观测中，我们就可以得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，我们就可以组成3个方程式，解出观测点的位置。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间存在误差，所以实际上就有4个未知数，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点精确的经纬度和高程。

事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星的位置，这时，接收机可按卫星的星座分布将其按每组4颗的方式，分成若干组，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，使得民用GPS的定位精度只有100米。为提高定位精度，普遍采用差分GPS技术，建立基准站（差分台）进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一个修正数，并进行发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。

GPS系统提供了两种定位信号，其一是C/A编码，由标准定位信号经干扰而成，定位精度在100米左右，以供民间用户使用；另一种即所谓的P码，经加密后播放，以供军用，定位精度在3米以内。对于民用的C/A码，可利用基站差分技术将其中的干扰滤掉，使其精度达到10米左右。GPS接收设备包括GPS手持机，与手持电话体积相当。其计算机接口包括GPS接收卡或外接设备，由天线、接收单元和电源组成，体积很小，可方便地装载在汽车等航行器上。GPS最初只是运用于军事领域。目前，GPS已被广泛应用于交通行业，它利用GPS的定位技术结合无线通信技术（GSM或CDMA）、地理信息管理系统（GIS）等高新技术，实现对车辆的监控，经过GSM网络的数字通道，将信号输送到车辆监控中心，监控中心通过差分技术换算位置信息，然后通过GIS将位置信号用地图语言显示出来，最终可通过服务中心实现车辆的定位导航、防盗反劫、服务救援、远程监控、轨迹记录等功能。

GPS由空间卫星系统、地面监控系统、用户接收系统三大子系统构成，具有全球性、全能性（陆地、海洋、航空与航天）、全天候的优势，GPS导航定位、定时、测速系统目前已广泛应用于军事和民用等众多领域。在一些发达国家，GPS技术已经开始应用于公交、地铁、私家车等各方面。目前，国内GPS的应用还处于萌芽状态，但发展势头迅猛，交通运输行业已充分意识到它在交通信息化管理方面的优势。

在我国交通运输和道路工程中，GPS技术的运用已经开始得到重视和发展，并开始步入深层和普遍运用阶段。许多城市的出租车、租车服务、物流配送等行业已经开始利用GPS技术对车辆进行跟踪、调度管理，合理分布车辆，以最快的速度响应用户的乘车请求，降低能源消耗，节省运行成本。在车辆导航方面，通过GPS系统，我们在城市中建立数字化交通电台，实时发播城市交通信息，车载设备通过GPS进行精确定位，结合电子地图以及实时的交通状况，自动匹配最优路径，并实行车辆的自主导航。民航运输还通过GPS接收设备，使驾驶员着陆时能准确对准跑道，同时还能使飞机紧凑排列，提高机场利用率，引导飞机安全进离场。综上所述，GPS技术在交通运输和道路工程中的运用主要表现在公路测量、物流配送、汽车导航定位及城市交通管理等方面。

（一）GPS技术给测绘界带来了一场革命

与传统的手工测量手段相比，GPS技术有着巨大的优势，利用载波相位差分技术（RTK），可以实时处理两个观测站的载波相位，在测量上可以达到厘米级的精度，并同时具有操作简便、仪器体积小便于携带、全天候操作、观测点之间无须通视、测量结果统一在坐标下及信息自动接收、存储、减少烦琐的中间处理环节等特点。现在，GPS技术已广泛应用于大地测量、资源勘查、地壳运动、地籍测量等测绘领域中。

在道路工程中，GPS目前主要用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等。高等级公路的迅速发展对勘测技术提出了更高的要求，由于线路长、已知观测点少，因此用常规测量手段进行测绘不仅布网困难，而且难以满足高精度的要求。我们可以采用GPS技术先建立线路首级高精度控制网，然后用常规方法布设导线加密。实践证明，采用这种方法，在几十千米范围内的定点误差只有2厘米左右，达到了常规方法难以实现的精度，同时大大提前了工期。

GPS测量信息包含有三维信息，可用于数字地面模型的数据采集、中线放样以及纵断面测量。在中线平面位置放样的时候，即可获得纵断面，在中线放样中需实时把基准站的数据由数据链传输到移动站，从而可以提供移动站的实时位置。由于GPS仪器不像经纬仪那样可以指示方向，因此需要与CAD系统相结合，从而可在计算机屏幕上看到目前位置与设计坐标之间的差异，能取得良好效果。

GPS技术同时也被应用于特大桥梁的控制测量中。由于无须通视，即可构成较强的网形测绘结构，对于提高定位精度、检测常规测量的支点也非常有效。GPS检测精度达到了毫米级，因此它在隧道测量中也具有广泛的应用前景，使用其进行测量，减少了常规方法的中间环节，速度快，精度高，具有明显的经济和社会效益。

实时动态定位（RTK）系统由基准站和流动站组成，所以建立无线数据通信是实时动态测量的保证，由于其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点，安置一台接收机作为参考站，对卫星进行连续的观测，流动站上的接收机在接收卫星信号的同时，也通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据，随机计算机根据相对定位的原理实时计算并显示出流动站的三维坐标和测量精度。这样，用户就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况，根据待测点的精度指标，确定观测时间，从而减少冗余观测，提高工作效率。

（二）GPS为“零库存”带来可能

据统计，在我国120多万千米的公路上跑动着的1200多万辆民用车辆中，居然有将近一半是空车，全国货运空驶率平均为49%。数以万计的运输公司，在混乱的竞争中，不断陷入困境。刚刚兴起的国内物流业尚处于“小、多、散、弱”和服务功能单一的状态，社会化、专业化程度低，物流效益差，物流成本费用高，物流费用占商品总成本的比重高达40%，而西方发达国家的物流费用一般占商品总成本的10%左右，美国有代表性的运输公司车辆空驶率在10%以内。

为什么国外的空载率能够那么低？国内专家通过对美国和欧洲一些发达国家考察发现：在十几年前，美国公路的空驶率在20%左右，后来降到了10%以下，其中的奥秘就在于他们应用了信息管理技术，通过卫星定位系统对车辆进行了有效的调度，GPS在此又展现了它的魅力。

美国高通（QUALCOMM）公司的OmniTRACS移动信息管理系统是高通公司利用其CDMA的专利技术开发的基于卫星的双向移动通信和自动跟踪系统，该系统使运输公司和物流管理公司等能够实时地获得每个移动目标的业务状态和性能信息，有效监控，管理其车、船队，以较低的运行费用，大大提高其对资产和人员的利用效率。而广大的货主，也能通过Internet等信息渠道了解其货物的运动状态，有利于安排生产，为逐步走向“零库存”生产提供必要的条件。如果这类系统的普遍使用能使我们的空驶率降低十个百分点，则仅此一项每年可为国家节省过百亿元的投资。

随着国内物流业的发展，对货物的跟踪服务需求越来越大，国内已经或正在开发此项技术的企业将随着激烈的市场竞争使该项技术日趋完善。

（三）功能强大的GPS导航系统

三维导航是GPS的首要功能，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一门新技术。它由GPS导航、自律导航、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。(www.daowen.com)

GPS导航是由GPS接收机接收GPS卫星信号（三颗以上），得到该点的经纬度坐标、速度、时间等信息。为提高汽车导航定位的精度，通常采用差分GPS技术。当汽车行驶到地下隧道、高层楼群、高速公路等遮掩物而捕捉不到GPS卫星信号时，系统可自动导入自律导航系统，此时由车速传感器检测出汽车的行进速度，通过微处理单元的数据处理，从速度和时间中直接算出前进的距离，陀螺传感器直接检测出前进的方向，陀螺仪还能自动存储各种数据，即使在更换轮胎暂时停车时，系统也可以重新设定。

由GPS导航系统和自律导航系统所测到的汽车位置坐标、前进的方向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，使之可以在电子地图上的路线统一，需采用地图匹配技术，加一个地图匹配电路，以对汽车行驶的路线与电子地图上道路的误差进行实时匹配，并做出自动修正，同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，这样可以指示出正确的行驶路线。GPS导航系统中的CD-ROM用于存储道路数据等信息，LCD显示器用于导航的相关信息，GPS天线是内置的，可以接收到来自环绕地球的24颗GPS卫星中的至少3颗所传递的数据信息，结合储存在GPS导航系统内的电子地图中，通过GPS卫星信号确定的位置坐标与此相匹配，确定汽车在电子地图中的准确位置，这就是平常所说的定位功能。

在可以进行定位的基础上，可以通过多功能显示器，提供最佳行车路线，前方路况以及最近的加油站、饭店、旅馆等信息。假如不幸GPS信号中断，也不用担心，因为GPS系统中已记录了行车路线。当然，这些功能都离不开已经事先编制好的使用地区的地图软件。

图4-11　GPS系统的界面图

导航系统与电子地图、无线电通信网络及计算机车辆管理信息系统相结合，可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能，如车辆跟踪、提供出行路线的规划和导航、信息查询、话务指挥、紧急援助等。图4-11是GPS系统的界面图。

1.车辆跟踪

利用GPS和电子地图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；还可以实现多窗口、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服务。车载GPS还有一个功能就是防盗，分为静态防盗和动态追踪两种。前者是指车主离开汽车后，停泊的车辆遭遇偷盗、毁坏、移动时，车辆会通过自身的监控系统向GPS监控中心发出警报，并会自动与车主手机联系、电话报警等。后者则可对行驶中的被盗车辆进行定位跟踪、车况监听、车迹记录，甚至控制车辆断电、断油等。现在一般的中高档车上都装有GPS系统，随着这项技术的不断发展以及服务的不断完善，越来越多的人将会享受到GPS所带来的便捷。

2.出行路线的规划和导航

规划出行路线是汽车导航系统的一项重要辅助功能，包括自动线路规划和人工线路设计：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路线，并同时显示汽车运行路径和运行方法。

3.信息查询

为用户提供主要物标，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。查询资料可以用文字、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。

4.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。指挥中心也可以随时与被跟踪目标通话，实行管理。

5.紧急援助

通过GPS定位和监控管理系统可以对遇险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。

近些年来，国外研制了各种用于车辆诱导的系统，其中对车辆位置的实时确定主要依靠惯性测量系统以及车轮传感器。随着技术的发展，GPS大有取代之势。用于城市车辆诱导的GPS定位一般是在城市中设立一个基准站，车载GPS实时接收基准站发射的信息，经过差分处理便可计算出实时位置，把目前所处位置与所要到达的目标在道路网中进行优化计算，便可在道路电子地图上显示出到达目标的最优化路线，为公安、消防、抢修、急救等车辆服务。

（四）GPS交通领域的应用前景

在未来的20～30年，导航定位系统将向全球性、全天候、高精度、连续、实时的全球卫星导航系统方向发展，包括GNSS及其增强系统。GPS人为降低精度的选择可用性（SA技术）已经取消，民用码（C/A码）的定位精度可达20～30米；GPS系统将发展为由多种导航设备组合到一起的组合导航系统，采用数据融合技术，包括全球卫星导航、惯性导航及其天文导航在内的组合导航系统，成为集通信、导航、识别等多种功能于一体的综合导航系统。

而目前在我国，交通领域对GPS的应用还处于比较初级的阶段，仅仅是简单地利用GPS的定位系统，通过与别的智能交通系统结合，达到应用目的，生硬的组合使GPS在运用过程中吸纳、处理信息的能力受到了限制。所以，从技术上看目前主要是解决如何将卫星定位系统（GPS）、交通地理信息系统（GIS）和无线数字通信技术（Tel-Com）三项高新技术融合为一体，优化GPS应用，使GPS应用不再是单一性的，尽量减少硬件设施的投入。随着GPS应用技术的发展，GPS技术将被人们更进一步地开发，并且在硬件设施、运行环境和运用软件方面能与很多智能化技术结合起来，出现更多的GPS实用技术。