李星蓉、戚宇林、罗广孝、苏汉
摘要：当今，诸多部门，如公安、交通、电力和银行等，都要求在城市环境中对车辆进行连续跟踪和不间断定位。在经济建设和科学技术的广泛领域，都采用了GPS的精密定位技术。论文阐述了GPS定位的基本原理及其应用，重点介绍了车辆定位监控系统的应用，最后介绍了GPS的发展现状以及在我国的发展状况。并分析了它的发展前景以及我国发展GPS的对策。
关键词：GPS；车辆定位；无线数据链路；卫星导航；监控中心
0前言
GPS（Gloal Pasitioning System）以其全球性、全天侯及被动式的定位原理等诸多优势无可争议的成为现在最为广泛使用的定位手段。现在应用最广泛的是大地测量、海上渔用、陆用导航以及车辆定位监控、其中车辆定位监控的市场增长最为迅速。针对美国的SA和AS技术政策，目前已有不少国家发展了DGPS和WADGPS系统，为GPS的发展开辟了新的领域。我国也有一些单位生产车载GPS系统。为发展我国的GPS产业，武汉已经成为中国GPS工程技术研究中心。
1GPS简介
1.1GPS全球定位系统的建立
GPS是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性、全球性、全天侯、连续性和实时性的导航、定位和定时功能。GPS是1973年12月美国国防部批准的海陆军三军联合研制的新的卫星导航系统，从1974年以来，GPS计划已经历了方案论证（1974-1978）、系统论证（1979-1987）和生产实验（1988-1993）共3个阶段。整个系统分为卫星星座、地面控制和监测站、用户设备等3大部分。
GPS卫星星座的基本参数为卫星颗娄21+3，即21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星。卫星轨道面的个数为6个，卫星高度为20200km，轨道倾角为55°，卫星运行周期为11h58min，载波频率为1575.42MHz和1227.60MHz。卫星通过天顶时，卫星可见时间为5h，在地球表面上任何地点任何时间，高度角在15°以上时，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达9颗。当卫星入轨后，星内机件靠太阳能电池和镉镍蓄电池供电。每个卫星有一个推力系统，以便使卫星轨道保持在适当的位置。
1.2GPS系统组成及各部分的作用
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。下面具体介绍各部分的作用：
（1）GPS卫星
1）用L波段的两个无线载波（19cm和24cm）向广大用户连续不断地发送导航定位信号。每个载波用导航信息D(t)和伪随机码（PRN）测距信号进行双相调制。用于捕获信号及粗略定位的伪随机码称C/A码，精密测距码称P码。由导航电文可以知道该卫星当前的位置和卫星的工作情况。
2）卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入上用S波段（10cm）发送到卫星的导航电文和其他有关信息，并通过GPS信号电路，适时地发送给广大用户。
3）接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，实时地改正运行偏差或启用备用时钟等。
（2）地面监控系统
地面监控系统包括1个主控站、3个注入站和5个监测站。主控站的主要任务是收集、处理本站和监测站收到的全部资料，编算出每颗卫星的星历和GPS时间系统，将预测的卫星星历、钟差、状态数据以及大气传播改正编制成导航电文传送到注入站。主控站还负责纠正卫星的轨道偏离，必要时调度卫星，使备用卫星取代失效的工作卫星。另外还负责监测整个地面监测系统的工作，检测注入给卫星的导航电文，监测卫星是否将导航电文发送给了用户。注入站的任务是将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器。每天注入3次，每次注入14天的星历。此外，注入站能自动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。监测站的主要任务是为主控站提供卫星的观测数据。
（3）GPS信号接收机
它能够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，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，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，甚至三维速度和时间。接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包，构成完整的GPS用户设备。
1.3GPS卫星定位基本原理
将无线电信号发射台从地面点搬到卫星上，组成一个卫星导航定位系统，应用无线电测距交会的原理，便可由3个以上地面已知点交会出卫星的位置，反之利用3个以上卫星的已知空间位置就要以交会出地面示知点的位置。但是，除了位置上的三维坐标外，由于接收机钟与卫星钟有一定的误差，如果把这个接收机钟差也作为未知数，则共有4个未知数，所以接收机必须同时至少测定4颗卫星的距离才能算出接收机的三维卒标。
2GPS的应用现状和展望
2.1GPS的应用现状
GPS以其高精度的定位、测速和定时功能在20世纪70年代就已经引起了极大的关注，现在更是在多个领域得到广泛的应用。例如：GPS在大地控制测量中的应用；GPS在精密工程测量及变形监测中的应用；GPS在航空摄影中的应用；GPS在线路勘测及隧道贯通测量中的应用；GPS在地形、地籍及房地产测量中的应用；GPS在海洋测绘中的应用；GPS在公安、交通系统中的应用；GPS在地球动力学级地震研究中心的应用；GPS在气象信息测量中的应用；GPS在航空航海导航中的应用等。军用GPS系统的热点是将嵌入式GPS模块装入其他军用系统和产品，提高产品的能力。在民用中，目前，大地测量、海上渔用、陆用导航以及车辆定位监控占有主要的市场。在电力系统中，GPS监视电力负荷状态、稳定交流电流频率及发电厂测定故障位置、实现各变电站的同步校时等发挥着越来越重要的作用，将是一个广阔的市场。
2.2GPS的发展前景展望
GPS自身的优点已经为其展现了广阔的应用前景。现在和GPS类似的产品也出现了不少，如俄罗斯的GLONASS系统也可以用于民用且没有SA限制，西欧欧洲空间局（ESA）正在筹建的NAVSAT导航卫星系统，是一种民用导航系统，他们都将跟美国的GPS展开竞争。另外，国际民航组织（ICAO）将建设纯民用的GNSS系统，为了打破一个类似于INMARSAT公司的国际性卫星导航工程公司，让民间用户摆脱受制人的不安心理，将GNSS系统的所有权、控制权和运营权实行国际化，贯彻“集资共建，资源共享”的方针。这些都将为GPS的发展打开广阔的空间。
3GPS车辆定位监控系统
GPS车辆定位监控系统主要有自导航应用和中心监控两种方式。车辆监控系统是集GPS技术、无线通信技术和GIS（Geologic Information System）技术于一体的综合车辆管理系统。一般行业用户的车船队监控都采用中心监控方式，系统由监控中心、位于监控中心的主站和安装在移动车辆上的子站等3部分构成。系统的工作原理是：安装在车辆上的GPS接收机根据收到的卫星信息计算出车辆的当前位置，通信控制器从GPS接收机输出的信号中提取出所需要的位置，通信控制器从GPS接收机输出的信号中提取所需要的位置、速度和时间信息，结合车辆身份等信息形成数据报，然后通过无线信道发往控制中心。控制中心的主站接收子站发送的数据，并从中提取出定位信息，根据各车辆的车号和组号等，在监控中心的电子地图上显示出来。同时，在控制中心的系统管理员可以查询各车辆的运行状况。根据车流量合理调度车辆。
3.1车载终端
车载终端设备包括：控制单元（CPU）、显示单元（可选）、GPS接收机、GSM手机（或其他通信模块）、防盗报警器（可选）。主要功能为：
（1）防盗报警功能：当有紧急情况发生时，用户可以触发隐蔽的报警按钮，车载单元会自动将GPS接收机中的位置数据通过GSM手机的短消息功能传送给监控中心；
（2）导航功能：GPS提供移动目标的准确位置、速度和方向等数据，无差分的定位精度在10m左右，差分精度为3-5m。系统可以通过调度中心进行导航，也可以在终端上存储电子地图，显示单元上可实时显示移动目标在电子地图上的位置。根据目的地，选择行驶的最佳路线，并可以做到偏航报警；
（3）通话功能：车载GSM手机可进行语音通话，当用户离车时还可将手机取下正常使用。几种通信方式一般都要求数话兼容，可根据指挥中心的指令来控制，以达到数话转换的功能。比如，采用集群通信，在车辆报警后，监控中心将批出信道来监听车内的情况。
3.2无线数据链路
无线数据传输设备作为基站与各移动目标进行信息交换的枢纽，是整个车调系统中的重要组成部分，其选择方案包括以下几种：
1）公网设备：如GSM；
2）集群通信：如公守上用的350MHz、800MHz集群系统；
3）常规电台：采用专用信道和无线Modem。
当然，一些车调系统可以无通信系统，如长途货运公司等不需要实时监控和调度的应用，这主要根据系统的应用目的所决定。
选择合适的无线数据传输设备关键要从以下几点来统一权衡：
（1）收发转换时间
它和系统容量有直接关系，是选择数据链时首先应考虑的方面。一些高档数传电台的收发转换时间仅10-20ms；而常规话音电台的收发转换时间一般较长，需要100-200ms。
（2）接入方式
1）网络方式：调度中心通过专线接入无线通信网，系统容量大，但是运营和建设成本高，在建立大型的监控网络时是唯一选择。
2）单机方式：调度中心通过无线收发信机接入通信网，系统容量小，但扩容方便，增加无线收发信机就可以增加系统容量，在系统容量不大时应用较多，建设和运营成本都比较低。
（1）碰撞处理
对不同的系统有不同的要求。
1）常规电台：终端的信息发送要做到时分复用，充分利用频率资源。
2）集群和公网：通信系统针对终端的信息发送请求调配频率资源。
对于要求覆盖范围广的，比如防盗和邮政运输、长途客/货运车辆，一般选择公网，可以有效地降低建设费用。集群通信频道多，刷新率高，能够实现群呼、组呼和个呼，但建设成本高，在机场、港口码头等已有集群专网的场合应用比较好。
3.3监控中心
监控中心的组成包括数据库、监控终端/GIS终端、业务处理终端、前端接入设备等。工作人员可通过监控系统监控所有入网移动目标的运动。其关键是相应业务内容的数据库建设、电子地图以及和业务内容密切相关的应用软件MIS。实现的功能有：
（1）车辆调度功能：监控中心可在电子地图上选定区域，发出广播指令。凡行驶在该区域的车辆都自动回传信息给监控中心，工作人员即可通过GSM电话，根据需要调度车辆。
（2）监控报警功能：在车辆遇到抢动的情况下，司机可以悄悄按下隐蔽的报警按钮，监控中心可以查询出事车辆的位置，并实时监听车内的动静。
（3）信息查询功能：可通过数据库查询任何入网用户的资料。
4GPS发展趋势和市场前景
4.1全球GPS发展趋势及市场预测
根据估计，目前世界上有超过100家的公司正在研制各种各样的GPS用户接收机。大批量的OEM板接收机的价格将从1995年标准定位服务（SPS）接收机的每片150美元降低到2003年50美元左右。随着接收机价格的下降，GPS市场将会像PC机市场那样呈指数增长的趋势。
目前，GPS市场呈现两种趋势：一是硬件价格以每年30％的速度持续下降；二是用户的各类应用软件不断增加。这也是为什么消费类GPS产品的价格下降得如此这快而功能众多的商用和专用GPS设备仍保持在相当高的水平上的原因。特别是商用GPS市场中，各种各样的软件快速发展，数量不断增加，这些都是GPS产量速增的根本动力。在消费类GPS产品市场中，软件不是影响成本的主要原因，因而硬件价格不断下降，是零售GPS产品的价格不断降低的原因。美国国家公共管理研究院所进行的调查表明，到2001年，全球每年的GPS市场将达到120亿美元，到2005年，将达到310亿美元。其中55％的份额在美国以外。
4.2中国的GPS市场展望及发展对策
在我国，GPS已经成为“地基”无线电跟踪与测量系统的一种补充手段，但它在导航和航天测控领域的应用潜力却令人瞩目。例如，我国的导弹和航天测控系统用户可根据所需测量精度、目标大小及动态特性要求，选择导弹/航天器，装载GPS转发机或GPS接收及测量系统，以完成各类导弹、卫星、飞机和炮弹，以及低空长弧段飞行目标等各种飞行体，甚至多个目标的精确跟踪和定位。GPS亦可为一切航天器（卫星、飞船等）精确定轨、定姿，定轨精度可达cm级；GPS也可为载人航天器提供实时入轨、返回来判断信息；GPS还可为航天器的交汇、对接，提供高精度的相对位置、速度和姿态。此外，GPS可为一切用户提供高精度的时间与频率基准（时间精度灰ps）。十多年多，GPS在中国的应用发展势头迅猛，已从少数科研单位和军事部门迅速扩展到各个民用领域。伴随着GPS技术应用日趋广泛，国内GPS用户正越来越多。随着我国GPS市场的逐渐开发，市场容量会越来越大。GPS作为一种发展起来的高新产业，必将充满着无限的商机。
但是，相对于国外，我们的水平还比较低，所以我们要有自己的发展对策：
（1）在充分利用美国GPS系统的情况下，大力发展自己的卫星导航系统，以免受到SA的限制。
（2）开发具有自主知识产权的芯片组和嵌入式软件及专用数据产品和信息服务产品，变被动应用为主动出击，实现我国从导航应用大国向应用强国的转变。
（3）加速完成卫星导航系统的产业化。把研究所、大专院校与各公司建成纽带，联合开发，避免重复开发造成的资金、人才和时间的浪费，使我们自己的导航系统的发展实现规模化。
5结束语
综上所述，GPS具有巨大的技术优势和应用前景。随着各国GPS产业化进程的加快，GPS技术的发展将形成规模化。GPS技术的应用将和人们的生活息息相关，它将在一定程度上改变我们的生活方式。随着GLONASS/GNSS的加入，空间资源环境将变成多元化的局面，这将给GPS的发展应用创造一个前所未有的良好的国际环境。
摘自《电力系统通信》
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