十、你在哪儿？——卫星定位系统在交通行业的应用
“你在哪儿？”这句话在朋友间常常可以听到。如果有人说，回答好这个问题能带来一百亿欧元的年产值，你觉得可能吗？如果再有人说，回答好这个问题还会动摇当今美国一极独霸的国际地位，你会不会觉得匪夷所思。不，毫不夸张，这就是卫星定位系统的威力。
简单通俗地讲卫星定位系统就是利用卫星来告诉你到底在哪儿的系统。它是一个以空间为基地的导航系统，可以在全球范围内，全天候地为海上、陆地、空中和空间的各类用户连续不断地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息。卫星定位系统由3大部分组成：空间部分、地面部分和用户部分。
1.空间部分是卫星定位系统的主体，它由数颗在距地球表面一定高度的轨道上运行的卫星组成。每颗卫星都不断向地面发出表示时间和位置的信号。
2.地面部分由一个中心控制站、几个地面监控站和数据发送站组成。地面部分的主要作用是监测、控制导航卫星的工作。
3.卫星定位系统的用户要有一个卫星定位系统接收器，目前市面上主要使用的接收器体积只有橡皮擦大小，携带方便，可以用很小的天线随时接收卫星传送过来的信号。
卫星定位系统家族主要有三大成员：俄罗斯的GLONASS、美国的GPS和欧盟的Galileo。
俄罗斯的GLONASS是前苏联从20世纪80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19 100千米，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8°。但是它们辨别卫星身份的方式不同：GLONASS系统采用频分多址（FDMA）方式，即根据载波频率来区分不同卫星，而GPS是码分多址（CDMA）方式，即根据调制码来区分卫星。
欧洲的（又称“伽利略”）卫星导航系统是最新发展起来的卫星定位系统。它由30颗轨道卫星组成，卫星的轨道高度为2.4万千米，倾角为56°，分布在3个轨道面上，每个轨道面部署9颗工作星和1颗在轨备用星。这是它优于GPS的原因之一。从设计目的来看，它的最大优势是更多地倾向于民用。获得精确的定位必须有精确的卫星轨道和精确的时钟。“伽利略”的卫星轨道精度为20cm，另外卫星上还安装了两对原子钟，其中的高精度氢原子钟是美国的GPS系统所不具备的。因此“伽利略”系统的精度达到了65cm，比GPS的民用精度提高了10倍以上。“伽利略”另一个优势，在于能够与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现多系统内的相互兼容。
在卫星信号传送方式上，GPS系统的卫星信号上传和控制部分处于同一个波段，“伽利略”系统则通过C波段和S波段来分别传送，比GPS系统具有更多的灵活性，可以使地面系统在任何时候都可以同任何一个卫星进行信号传递。
了解了最主流的卫星定位系统后，下面来谈谈卫星定位系统在交通行业的应用。
1.什么是GPS
GPS即全球定位系统（Global Positioning System），美国从20世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。
它是美国第二代卫星导航系统，是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，采纳了子午仪系统的成功经验。
2.GPS的组成
GPS的空间部分是由飞行在地面上空26 560km的24颗人造卫星所组成，涵盖了地球表面。每颗卫星都连续不断地向地球发射数字信号，在地面的GPS用户通过同时接收4颗以上卫星信号来计算出自己在地球上的位置（经、纬度和高度）、速度。
为什么要4颗呢？那是因为当地面接收器收到一颗卫星发送的电文后，可以得出卫星与该地面的距离，以卫星为圆点，以该距离为半径，可以画出一个球面，建立一个距离方程。同理，当地面获得三颗卫星的电文时，三球面交汇于地面的一点，通过三个方程，即可获得地面的位置。采用四星定位是基于接收器成本的考虑，卫星通过精度为十亿分之一秒的原子钟报时，造价极为昂贵，如果地面接收器也采用原子钟，成本将令人无法接受。因此，地面接收器大多采用具有一定精度的石英钟，这样时钟就人为地变成了第四个未知数，就需要第四个方程来求解，因此，要四星定位。
地面监控部分包括4个监控站、1个上行注入站和1个主控站。监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站设在范登堡空军基地，对地面监控部实行全面控制。主控站的任务是收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟的改正值。上行注入站也设在范登堡空军基地，它的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。
GPS根据不同的使用对象分别提供了两种定位服务。是提供精密定位服务（PPS），其定位精度可达10～25m。一种为民用的标准定位服务（SPS）。SPS的精度误差高达100m。
目前GPS的定位误差为几十米，可应用差分的方法将测量误差的影响减到最低。相近的点（20km左右）会观测到相同的卫星，微波信号传输通过的空间状态也大体相同，人们就可以认为这些点的同类误差是相同的。这样多个测点观测方程联合起来，将有相同未知数的方程相减，误差就可以被消掉，最后就可以得到比较精确的结果。特别是当一个点的位置坐标完全已知时，这个点可以快速地算出所有误差的总量，另一个点可以把这个误差总量拿来直接修正自己的位置坐标，这样省了大量的方程解算时间，从而使差分测量做到实时动态。
（一）GPS在交通行业的应用
利用GPS技术组建运输定位服务系统，是近年来新兴的前沿科技应用。根据GPS定位的功能结合汽车运输的特点而研制的跟踪定位系统，不仅能告诉你“你在哪儿”，还可以告诉你想知道的任何物体“它在哪儿”。
该系统主要由无线电发射塔、监控平台和车载终端3大部分组成（如图3-15）。
首先，GPS每颗卫星都不断向地面发出表示时间和位置的信号。
接着，装在交通工具上的GPS车载接收终端接收到4个以上卫星传送过来的信号，再通过无线电发射塔转发给通信数据服务器。
然后，经过通信数据服务器处理得出车辆的位置、速度等信息。通过传输专缆传送到交通运输安全监控平台。
图3-15 交通运输安全监控统一平台
最后，平台服务器根据用户需要，将用户要求的车辆信息通过Internet以光纤电话等有线上网方式或CDMA等无线上网方式传送到各个远程监控终端。在终端上显示车辆、轮船等交通工具的位置、行驶路线和速度。
GPS传入我国后，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各个部门，并开始逐步深入人们的日常生活，而人们接触最多的应用领域就是交通行业。
交通安全是政府和群众共同关注的社会问题。在汽车长途客运领域，群死群伤的事故不绝于耳，如何有效地减少疲劳驾驶、超载、超速等违章驾驶现象成为一大难题；在水运领域，同样也存在超载问题以及灾难发生后指挥施救等问题，人们正在寻求破解紧急情况下信息安全、准确、及时传递等难题的方法；在交警、路政、消防管理部门，同样面临着有效制止交通违章，道路施救、寻找最佳行驶路线、指挥调度等问题。出租汽车如何有效预防盗抢等问题；在贵重物资运输领域，如何有效防止被盗、中途调包、异地倒卖等现象；如何预防和打击以侵财为目标的盗抢交通工具、伤害驾驶员等犯罪活动；其他诸如物流领域、特种车辆等，都需要一种高科技的系统来保障其安全，高效率地运行，以创造最大的社会效益和经济效益。
GPS结合车载设备的运输工具定位服务系统就能解决上述问题。我国目前从事GPS技术开发的企业不下50家，在我国许多地方，如北京、广州、深圳、武汉、成都等都有研制全球定位系统和开发产品的机构，并且其产品也广泛地应用于城市公交汽车和出租车以及长途客车等方面，个人用户也开始发展。成都安彩敬天科技有限公司生产的GPRS车载智能终端就是一个功能比较完善的车载设备，它能实现以下主要功能（如图3-16）。
1.间隔回传。设定接收GPS信息的间隔时间，每隔一定时间对车辆进行一次位置定位，同时显示当前车辆行驶速度。管理者可在平台（联网的电脑上装的与车载设备相兼容的监控软件）上清楚地看到车辆的当前位置（如图3-17）。
图3-16 安彩敬天GPS智能车载终端及配件
图3-17 编号为13568844895的车辆，当前位于高新西区
定位的数据存储在服务器上，经处理后，可显示出车辆的行驶路线（如图3-18）。
图3-18 监控大厅和监控平台
2.车载设备自身可具备区域报警、线路偏移报警等功能。通过GPS得到的车辆位置如果超出所设定的区域、偏离设定行驶路线，就会触发车载设备报警，提醒驾驶员安全驾驶，可有效地保障交通安全（如图3-19）。
图3-19 编号为13568844895的车辆，进入区域报警
车载设备连接了摄像头时，还可以通过多种方式触发开关拍摄车内图像（关车门后触发、行车速度达到设定速度时触发、司机人工按钮触发、监控终端软件远程控制触发、车辆熄火时触发）和拍摄车外图像（紧急刹车触发、车身猛烈碰撞触发）等，从而在平台上清楚地了解到驾驶员在做什么？在哪个方位？车辆内外的情况如何（如图3-20、图3-21）。
除了有利于车辆管理，该系统还能协助公安机关侦破犯罪案件，对潜在的犯罪人员起到威慑作用，有效减少犯罪案件的发生。2005年底至2006年初，成都发生了几起出租车连环抢劫案，几个月过去了，罪犯再次犯案，抢劫了盛多和远征两家公司的出租车。幸运的是，这两家公司都安装了安彩敬天的GPRS车载终端。公安机关根据终端上存储的罪犯照片认清了罪犯长相，又通过平台上车辆的轨迹回放，判断出罪犯经常出没的地方，很快在城东的出租屋将3个劫匪逮捕。还有一次，两个外地口音的人上了一辆出租车，一前一后的坐在司机旁边。刚上车他们就发现了装在后视镜旁边的摄像头，当时司机就跟他们说起这个GPS终端的厉害，结果出租车开出不到200m，两人就下车了。后来司机发现两人掉了一把刀在车上。
图3-20 白天售票员在长途车内等候乘客
图3-21 夜间出租车内后排的情况
随着技术的进步，车载设备将逐步与行车记录仪、上下车人数记录仪进行接口，加入高灵敏度酒精度探头，加入人像面部分析系统，解决司机疲劳驾驶报警问题等等，并将这些信息传送至相应管理部门。
3.区域查车功能。根据需要，在平台可对进入“划定区域”内或在“划定区域”内停驶的车辆进行监控或查找。
4.多路段超速监控功能。监控软件能预先设定不同等级路段的速度范围、特定路线的限速值。系统会根据车辆当前上传的定位信息自动判断当前的道路级别，并根据预先设定的值来判断当前车辆是否属于超速。超速后监控端将记录并显示超速报警提示信息，同时车载设备向驾驶员提醒报警。
5.对那些危险地段，预先设置线路报警。车辆一旦驶入，报警器就会自动报警，从而提醒驾驶员谨慎驾驶，防止事故的发生。同时还能设置移动报警，当驾驶员离开车辆后，车被他人移动也会自动报警。
6.装上GPS，还能有效地提高里程利用率，争取回程货。在运输中常由于种种原因，需要临时用车，这样的用车不仅时间急，有的装货点还离公司本部较远。这时，GPS就显示出它的功能了，管理者就能在电脑里通过定位系统了解本公司车辆的情况，通过车载设备的双向通话功能及时调度。其他车辆发生故障，不能完成运输任务时，要再派车，也能向最近的车辆发布调度令。
7.节约运输成本。在运输业中成本居高不下，除了三大材料消耗的因素之外还有人为的成本。车辆公车私用、绕道行驶、行驶不该行驶的道路都是产生三大材料消耗的主观因素。装了GPS车辆跟踪器，就能有效地控制驾驶员在运输过程中的行驶路径。管理者能在第一时间了解所属车辆所在方位，从而知道所属车辆是否公车私用、是否绕道行驶、是否行驶在不该行驶的道路、是否因逃过路费而走其他路线从而损害单位的利益。
（二）我国GPS在交通行业中的最新应用
结合车速传感器、陀螺传感器，实现自律导航，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。
城市的道路交通管理。这一功能的应用目前在中国刚刚起步。加拿大卡尔加里大学设计了一种动态定位系统，该系统包括一台捷联式惯性系统、两台GPS接收机和一台微机，可测定已有道路的线性参数，为道路管理系统服务。美国研制了应用于城市的道路交通管理系统，该系统利用GPS和GIS建立道路数据库，数据库中包含有各种现时的数据资料，如道路的准确位置、路面状况、沿路设施等。该系统于1995年正式运行，为城市道路交通管理起到了重要作用。
美国拥有的GPS全球卫星定位系统虽然在技术上领先一步，但我国第一代导航卫星系统“北斗1号导航试验卫星系统”的两颗卫星已经上天，我国第二代导航卫星系统在进入论证预研阶段，与俄罗斯在GLONASS上和与欧盟在Galileo上的国际合作也在进行之中。
目前，我国的GPS车辆应用系统从总体上已具备跳跃式发展的基本条件，从产品、服务、行业、管理、技术、队伍、资本、市场、政策与环境10大方面实现动态平衡来衡量，都有一定的基础。再加上国民经济更加扎实更加稳定的新增长期业已来到，因此，利用卫星定位的车辆监控系统进入产业发展的快车道的关键时刻即将来临。
未来，人们不仅能清楚而精确地知道所定位的车辆在哪里，还能结合多种现代化技术了解更多的信息，实现更多的功能。用卫星导航系统应用产品来提高工作效率，改善人们的生活质量，为全中国人民和全人类造福是指日可待的事。
（本节由曾郑刚编写）
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