GPS技術及其在導航電子地圖中的應用

　1衛星定位系統技術內容簡介

　　1.1GPS技術系統簡介

　　GPS（GlobalPositioningSystem）,一般譯為"全球衛星定位系統"，是美國國防部安排部署的，其首要的任務是為美軍及其盟軍提供全球范圍內不間斷的定位、導航等數據。其次，也為民用、商用提供定位、導航、測速、授時等數據服務。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、實時的三維定位、三維測速和時間基準。由于這一系統在定位、導航、測速、授時等方面的高效率、高精度、多功能、易移動、低價格，因此它在地球科學中應用廣泛。

　　GPS系統包括GPS衛星、GPS監控站，以及用戶接收設備和GPS應用軟件等部分。GPS系統目前共有24顆衛星分布在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，連續向地面發送關于時間和自身位置的精確信息。

　　由于地球上任一點到衛星的距離不等，且都有一組相對應的比較確定的數據，因此在實際應用中在用手持接收器于測式點接收到這一組數據信號時，即可用這組數據到達的時間差來計算該點相對衛星的距離，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星的星歷；而三維定位至少要接收四顆衛星的星歷。

　　由于手持接收器可以提供精度在25米以內的定位信息和誤差在5m/s以內的速度信息，因而有些過于精確，為了保障軍事上的安全，美國政府對GPS衛星采取了SA（SelectiveAvailability）的技術進行處理，即對衛星向地面發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用，于是又采用了一種稱為DGPS（DifferentialGPS）的技術進行彌補。使其精度經校正能達到50M左右。

　　美國政府為了軍事和政治的目的，同時為了商業利益，根據國際形勢的發展，近幾年來一直在調整其GPS政策，其中最主要的是SA政策擬將提前終止執行。1996年3月底，美國副總統戈爾宣布，"美國將在十年內中止執行SA政策，并向用戶繼續免費提供標準定位服務（GPS）"，這是美國政府重大的政策改變。美國軍方最近認為，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上的改善，用戶實時單點定位精度將從現在的50M提高到２0M左右。

　　由于數字地球規劃中，美國副總統戈爾公開宣布將建立1M分辨率數據庫，以及衛星技術水平的提高，GPS的定位精度還將大幅度提高。

　　1.2其他衛星定位系統

　　導航衛星系統除美國的GPS衛星系統外，能與其比擬的就是俄國的GLONASS衛星系統，也是２4顆衛星組成的系統，由于經費困難，缺乏維護和補充，目前可能有19顆可用，隨著俄國經濟的復蘇和軍事上的需要，將會得到完善和健全。GLONASS系統是開放性，有利于使用，許多GPS生產廠商，為了提高GPS接收機使用性能和精度，都積極地研究GPS與GLONASS結合雙系統應用軟件，充分地利用GLONASS系統，已初見成效。如美國JAVAD公司GPS接收機，利用超級集成技術，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，結合起來使用，使觀測衛星增多。

　　歐洲的GNSS系統：歐洲的策略是--盡可能地利用GPS的星基或空基導航取代陸基導航，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星系統來實現本國的導航，所以，正在積極建立自己衛星導航系統GNSS，它的目標是分二步走，首先發展一個民間GNSS－1，其主要內容是對現有GPS和GLONASS的星基進行增強，即利用靜止衛星，面向歐洲范圍內的導航提供服務，即EGNOS計劃，已于95年啟動，99年實現初始運行能力，2002年實現全運行能力。第二個目標建成GNSS－２，從區域性漸進地擴展成全球系統。日本也正在積極籌劃建立日本的多功能衛星增強系統（MSAS）。在我國GPS的開發研究與應用不斷在深化和廣化。特別是建立了全國永久性GPS跟蹤網和相應的通訊網絡和數據處理設施，并發展成為我國GPS的綜合性服務體系，為國民經濟建設、國防建設和社會進步提供了服務。GPS接收機制造與生產也從無到有，工藝水平也不斷在提高，價格大大地低于進口的同類產品。在不久的將來我國也將有自己制造和發射的衛星導航定位系統。

　　2、GPS技術系統在導航電子地圖中的應用

　　2.1車載導航電子地圖的應用例子

　　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。"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車載導航電子地圖的應用原理及其應用模式

　　2.2.1車載導航電子地圖的應用原理

　　利用GIS中的電子地圖和GPS接收機的實時定位技術，組成GPS+GIS的各種電子導航系統。

　　2.2.2車載導航電子地圖的應用模式

　　車載導航電子地圖的應用模式主要有如下二種；①GPS單機定位＋矢量電子地圖。該系統可根據目標位置（工作時輸入）和車船現位置（由GPS測定）自動計算和顯示最佳路徑，引導司機最快地到達目的地，并可用多媒體方式向駕駛員提示。制作矢量地圖數據庫需要花費較大成本。②GPS差分定位＋矢量電子地圖。該系統通過固定站與移動車船之間的兩臺GPS偽距差分技術，可使定位精度達到1～3M，當采用雙向通訊方式時，則可構成車船的自動導航系統，又可將移動車船上的GPS定位結果準確實時地傳送到控制中心，并在電子地圖上顯示出來，構成交通網絡監控指揮系統。為了防止在樓群遮擋時收不到足夠的GPS衛星信號，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據來進行運載體的實時定位。

　　3、GPS定位過程簡介

　　GPS結合電子地圖能夠實現城市交通管理、車輛調度管理，公安、銀行車輛，港口、河流船舶的自動導引與監控，具有巨大的應用潛力。根據地形圖制作而成的矢量電子地圖，GPS坐標還需經過坐標轉換才能正確與之匹配。下面將從GPS定位坐標系、WGS-84大地坐標、地圖投影、平面坐標變換等幾方面詳細討論坐標匹配問題。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系位置，即用戶的X、Y、Z位置。

　　（2）宇宙直角坐標系至WGS-84大地坐標系的轉換，既求出用戶的WGS-84大地坐標位置λ、φ、h。

　　（3）坐標投影轉換，即將球面坐標λ、φ、h轉換成平面電子地圖投影坐標，如高斯-克呂格投影坐標。

　　（4）二維平面相似性變換，即經過平移、旋轉、縮放運算，達到其與電子地圖的配準。

　　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航系統的組成及功能

　　4.1基于GPS和電子地圖的車輛自動導航系統的組成

　　整個GPS電子地圖車輛動態引導系統構成如下圖所示，它由主控計算機、液晶顯示器、語音報警器、遙控器、組合導航處理器、GPS傳感器、速率陀螺儀、光驅等組成。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航系統的功能

　　本系統可以實現車、船等運動載體的電子地圖中的實時跟蹤顯示、最優路徑選擇及導引、顯示導航信息、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、海用船只的導引與監視，GPS＋航跡推算組合導航功能即使在信號不正常的條件下也能正確引導。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，將自動從光盤中調入下一幅新的矢量圖，實現自動切換。