梁明亮 宋憲華

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南鄭州 450052)

一、GPS定位原理

GPS(Global Positioning System)即全球定位系統(tǒng),是由距離地球 2萬多公里的 24顆人造衛(wèi)星,基本均勻地分布在 6個(gè)軌道平面內(nèi)組成的衛(wèi)星網(wǎng)向地球不斷發(fā)射定位信號(hào),用戶通過 GPS接收設(shè)備(接收機(jī))接收 3顆或 3顆以上的 GPS衛(wèi)星信號(hào),經(jīng)信號(hào)處理而獲得用戶位置、速度等信息,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位的技術(shù)。

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)由以下三個(gè)子系統(tǒng)組成:

1.太空衛(wèi)星子系統(tǒng)。由 24顆繞極衛(wèi)星所組成,分成六個(gè)軌道,運(yùn)行于約 20200公里的高空,繞行地球一周約 12小時(shí)。每個(gè)衛(wèi)星均持續(xù)著發(fā)射載有衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)及時(shí)間的無線電波,提供地球上的各種接收機(jī)來應(yīng)用。

2.地面管制子系統(tǒng)。作用為為了追蹤及控制上述衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn),負(fù)責(zé)修正與維護(hù)每個(gè)衛(wèi)星能保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)的各項(xiàng)參數(shù),以確保每個(gè)衛(wèi)星都能提供正確的訊息給接收機(jī)來接收。

3.接收子系統(tǒng)。即用戶接收設(shè)備,根據(jù)接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)信號(hào),內(nèi)部的微處理計(jì)算機(jī)按定位解算方法進(jìn)行定位計(jì)算,計(jì)算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時(shí)間等信息。接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及 GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的 GPS用戶設(shè)備。接收機(jī)一般采用機(jī)內(nèi)和機(jī)外兩種直流電源。關(guān)機(jī)后,機(jī)內(nèi)電池作為 RAM存儲(chǔ)器供電,以防止數(shù)據(jù)丟失。目前各種類型的接收機(jī)體積越來越小,重量越來越輕,以便野外觀測使用。

二、GPS的基本應(yīng)用原理

GPS的基本應(yīng)用主要為定位和導(dǎo)航。GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)可應(yīng)用于車輛監(jiān)控、調(diào)度和報(bào)警。在客車、貨車、公安、押運(yùn)、危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)溶囕v上安裝一套具有 GPS定位功能和通訊功能的車載 GPS終端,通過車載的手機(jī)卡發(fā)送短信或網(wǎng)絡(luò)(GPRS或 CDMA)信號(hào)到 GPS中心平臺(tái),GPS中心平臺(tái)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)處理并發(fā)送到 GPS調(diào)度計(jì)算機(jī),GPS調(diào)度計(jì)算機(jī)通過 GPS調(diào)度軟件或互聯(lián)網(wǎng)連接GPS中心平臺(tái),查看車輛運(yùn)行情況和軌跡,接受報(bào)警信號(hào),并對(duì)車輛進(jìn)行監(jiān)控調(diào)度和管理。車載 GPS系統(tǒng)的推廣應(yīng)用極大地提高了運(yùn)輸企業(yè)的科技管理水平。

由于衛(wèi)星是處在相當(dāng)高的運(yùn)行軌道上,其傳送的訊號(hào)較微弱,在使用時(shí)需注意:一是在室外及天空開闊度較佳的地方使用,若衛(wèi)星信號(hào)被建筑物、金屬遮蓋物、濃密樹林等所阻擋,接收機(jī)將無法獲得足夠的衛(wèi)星訊息來計(jì)算出所在位置的坐標(biāo);二是不能在具有 1.57GHz左右的強(qiáng)電波環(huán)境下使用,這樣易將衛(wèi)星訊號(hào)遮蓋掉,造成接收機(jī)無法獲得足夠的衛(wèi)星訊息。

利用 GPS所求出的定位數(shù)據(jù)可作各種交通工具的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。接收機(jī)所計(jì)算出的任何時(shí)刻坐標(biāo)數(shù)據(jù),稱為一個(gè)航點(diǎn)(WAYPOINT),即每個(gè)航點(diǎn)所表示的就是一個(gè)坐標(biāo)值,把它儲(chǔ)存在接收機(jī)內(nèi),并編上一個(gè)名字,以供辨別。

由于在地球表面上的任何位置,都以不同的坐標(biāo)值來表示,因此只要知道兩個(gè)不同航點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù),接收機(jī)就可馬上計(jì)算出兩個(gè)航點(diǎn)間的直線距離、相對(duì)方位及航行速度,此為 GPS接收機(jī)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的來源。要實(shí)現(xiàn) GPS導(dǎo)航,須事先將交通工具經(jīng)過的路段各點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)(利用地圖或查詢相關(guān)數(shù)據(jù))輸入 GPS接收機(jī)內(nèi),即建立航點(diǎn)數(shù)據(jù)或電子地圖。

三、GPS導(dǎo)航電子地圖的構(gòu)成

電子地圖是整個(gè)導(dǎo)航應(yīng)用體系中的核心部分。通常電子地圖由記錄實(shí)際地物的地理數(shù)據(jù)和與實(shí)際地物相關(guān)的標(biāo)識(shí)、整飾信息以及各類附加信息組成。電子地圖主要由道路形狀數(shù)據(jù)、背景數(shù)據(jù)、拓?fù)鋽?shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)構(gòu)成,它們之間緊密銜接,共同為車輛導(dǎo)航應(yīng)用提供服務(wù)。

1.道路形狀數(shù)據(jù)。主要記錄與道路相關(guān)的精確地理位置、路面形狀、道路隔離帶、相應(yīng)的附屬設(shè)施等。

2.背景數(shù)據(jù)。其既包括了植被、水系、行政區(qū)劃、面狀公共場所等現(xiàn)實(shí)意義上的背景信息,也包括各類與智能導(dǎo)航相關(guān)的實(shí)時(shí)交通信息。

3.拓?fù)鋽?shù)據(jù)。定義了電子地圖中各種地物間的相互關(guān)系,包括拓?fù)渎?lián)接、拓?fù)湎噜?、拓?fù)浒取?/p>

4.屬性數(shù)據(jù)。記錄各類地物除位置信息以外的數(shù)據(jù)。屬性中常包括名稱、地址、電話、網(wǎng)址等,或道路名稱、道面寬度、車道數(shù)據(jù)、通行級(jí)別等。

目前世界上最主要的導(dǎo)航電子數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)/格式有以下幾種:

1.GDF格式。GDF(Geographical Data File)是歐洲交通網(wǎng)絡(luò)表達(dá)的空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),用于描述和傳遞與路網(wǎng)和道路相關(guān)的數(shù)據(jù)。

2.KIWI格式。是專門針對(duì)汽車導(dǎo)航的電子數(shù)據(jù)格式,旨在提供一種通用的電子地圖數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式,以滿足嵌入式應(yīng)用快速精確和高效的要求。

3.NavTech的數(shù)據(jù)格式。NavTech公司致力于生產(chǎn)大比例尺的道路網(wǎng)商用數(shù)據(jù),包括詳細(xì)的道路、道路附屬物、交通信息等,這些數(shù)據(jù)主要用于車輛導(dǎo)航應(yīng)用。

四、GPS技術(shù)在鐵路運(yùn)輸中的應(yīng)用

GPS定位和導(dǎo)航是集 GIS、GPS、通信、嵌入式軟硬件技術(shù)為一體的高度綜合性的高技術(shù)產(chǎn)品。近年來,GPS導(dǎo)航技術(shù)在汽車中得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。隨著中國經(jīng)濟(jì)快速、持續(xù)的發(fā)展,包括鐵路運(yùn)輸業(yè)在內(nèi)的現(xiàn)代交通運(yùn)輸呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展之勢,可以預(yù)計(jì),在今后的一段時(shí)間內(nèi),GPS定位和導(dǎo)航必將在鐵路運(yùn)輸中發(fā)揮越來越重要的作用。

1.在救援列車上的應(yīng)用

在救援列車和機(jī)車上安裝 GPS“車載終端”后,當(dāng)機(jī)車出現(xiàn)故障或發(fā)生事故后,將信息傳遞給調(diào)度中心或救援列車的 GPS監(jiān)控中心。計(jì)算機(jī)通過 GIS將事故列車和救援列車的實(shí)時(shí)位置顯示在電子地圖上,通過 GPS定位和監(jiān)控管理系統(tǒng)可以對(duì)遇有險(xiǎn)情或發(fā)生事故的車輛進(jìn)行緊急援助,使救援工作準(zhǔn)確及時(shí)。

2.在調(diào)度系統(tǒng)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的鐵路行車指揮調(diào)度系統(tǒng)是通過司機(jī)與車站值班員、列車調(diào)度員三方通話確認(rèn)列車運(yùn)行位置、運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行速度。對(duì)列車運(yùn)行的準(zhǔn)確里程和速度,值班員和調(diào)度員不清楚,而且受到區(qū)段(距離)的極大限制。通過 GPS技術(shù)和機(jī)車上已有的無線列調(diào)、機(jī)車信號(hào)、監(jiān)控裝置、車號(hào)識(shí)別裝置,可以實(shí)時(shí)地將列車運(yùn)行的時(shí)間、車次、機(jī)車號(hào)、運(yùn)行區(qū)段(實(shí)時(shí)位置)、運(yùn)行速度等信息傳遞到調(diào)度監(jiān)控中心,計(jì)算機(jī)通過 GIS將列車的各種狀態(tài)信息顯示在大屏幕上。這樣將大大提高調(diào)度系統(tǒng)的工作效率。

3.在鐵路物流管理中的作用

設(shè)想在全路推行機(jī)車車輛的 GPS信息動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng),通過 GPS和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)收集全路列車、機(jī)車、車輛、集裝箱及所運(yùn)貨物的動(dòng)態(tài)信息,實(shí)現(xiàn)列車及貨物的追蹤管理。只要知道貨車的車種、車型和車號(hào),就可以立即從近 10萬 km的鐵路網(wǎng)上流動(dòng)著的幾十萬輛貨車中找到該貨車,還能得知這輛貨車在何處運(yùn)行或停在何處,以及所有的車載貨物發(fā)貨信息。這樣將大大提高路網(wǎng)及其運(yùn)營的透明度,提高運(yùn)輸效率。

[1]宋長峰,滕繼濤等.GPS/GLONASS定位仿真器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2004(9).

[2]魏東,劉曉輝.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)調(diào)試工藝技術(shù)研究[J].電子工藝技術(shù),2008(3).