（交通信息工程及控制专业论文）基于GPSGPRSGIS的危险品运输监控系统研究与设计.pdf

摘要近年来，随着社会进步以及国民经济的持续快速发展，道路危险品运输日渐增多，日益增加的危险品运输对城镇、人群、河流的威胁越来越大，危险品运输的安全问题得到了越来越高的重视。我国的危险品运输安全管理面临新的挑战，但是迄今为止，对危险化学品的物流管理的研究几乎是空白。危险品运输风险大，安全要求高，事故造成的社会后果和财产损失非常严重，所以探寻一条危险品运输行业安全管理之路，改善危险品安全生产运输环境，确保危险品运输行业安全、健康、持续发展，已成为道路运输管理部门和危险品运输行业的重要课题。因此，g p s g p r s g i s 危险品运输监控系统就应运而生了。g p s g p r s g i s 危险品运输监控系统是由地理信息系统技术、空间定位技术和无线数据通信技术集成的典型应用系统。本文在总结吸收前人研究成果的基础上，主要介绍一种基于g p s g i s g p r s 的实时基于g p s g p r s g i s 的危险品运输监控系统在公路危险品运输上的应用。文中分析了g p s g p r s g i s 技术的特点及结合的方法，着重阐述实验系统结构与模块的设计。在本文设计的基于g p s g i s g p r s 的危险品运输监控系统中，装载危险品的车辆在运行过程中，车载终端的g p s 接收机接收定位卫星的定位数据，计算出自身所处地理位置的坐标，坐标数据通过车载终端的通信模块，利用g p r s 网络将车辆的位置、状态、报警等综合信息发送到具有静态i p 地址的中心服务器，并存入中心数据库。同时将相应的报警信息发送到与之相应的监控单元。监控单元通过i n t e m e t 或g p r s 网络与中心服务器进行连接，实时接收中心服务器发来的数据，从而达到对装有危险品车辆的监控，也可对装有危险品车辆的轨迹进行查询，装有危险品车辆的信息经处理与监控终端上的电子地图匹配，并在地图上显示移动目标的正确位置，从而使监控中心能清楚和直观地掌握装有危险品车辆的动态位置信息。关键词：地理信息系统( g i s ) ；通用分组无线业务( g p r s ) ；全球定位系统( g p s )a b s tr a c ti nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ee c o n o m i c a ld e v e l o p m e n t ，s o c i e t yp r o g r e s sa n dt h en a t i o n a le c o n o m yf a s tc o n t i n u a ld e v e l o p m e n t ，t h ed a n g e r o u sm a t e r i a lt r a n s p o r t a t i o ni n c r e a s e dd a ya f t e rd a y , o u rc o u n t r yd a n g e r o u sm a t e r i a lt r a n s p o r t a t i o ns e c u r i t yc o n t r o lf a c e dw i t hn e wc h a l l e n g e p r o g r e s s i v ed a n g e r o u sm a t e r i a lt r a n s p o r t a t i o nt ot h ec i t i e s ，t h ec r o w d ，t h er i v e r st h r e a ti sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ，s ot h ed a n g e r o u sm a t e r i a lt r a n s p o r t a t i o ns e c u r i t yp r o b l e mo b t a i n e dt h em o r ea n dm o r eh i g l lv a l u e b u tu n t i ln o w , t h e r ei sn or e s e a r c ho nt h ed a n g e r o u sm a t e r i a lt r a n s p o r t a t i o n d a n g e r o u sm a t e r i a lt r a n s p o r t a t i o nh a sb i gr i s k ，h i g hs e c u r i t yr e q u e s t ，t h es o c i a le f f e c to fa c c i d e n ta n dt h ep r o p e r t yl o s ta l ee x t r e m e l ys e r i o u s ，t h e r e f o r ef i n daw a yo ft h ed a n g e r o u sm a t e r i a lt r a n s p o r t a t i o ns a f e t yc o n t r o l ，i m p r o v et h ee n v i r o n m e n to ft h ed a n g e r o u sm a t e r i a lt r a n s p o r t a t i o n ，m a k eh ed a n g e r o u sm a t e r i a lt r a n s p o r t a t i o nd e v e l o ps a f e t ya n dh e a l t h y , h a sb e c o m et h et r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n td e p a r t m e n ta n dt h ed a n g e r o u sm a t e r i a lt r a n s p o r t a t i o np r o f e s s i o ni m p o r t a n tt o p i c t h e r e f o r e ，t h eg p s g p r s g i sd a n g e r o u sm a t e r i a lt r a n s p o r t a t i o nm o n i t o rs y s t e ma r o s ea tt h eh i s t o r i cm o m e n t t h ev e h i c l e ss u p e r v i s o r ys y s t e mi sc o m p o s e do ft h eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mt e c h n o l o g y , t h es p a c eo r i e n t a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ew i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h i sa r t i c l es u m m a r i z et h ef o r m e rr e s e a r c h , i n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o no nt h ed a n g e r o u sm a t e r i a lt r a n s p o r t a t i o nb a s e do nt h eg p s g i s g p r sr e a l t i m ev e h i c l e ss u p e r v i s o r y t h ea r t i c l eh a sa n a l y z e dg p s ，g i s ，t h eg p r st e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i ca n dt h eu n i o nm e t h o d ，e m p h a t i c a l l ye l a b o r a t e st h ee x p e r i m e n t a ls y s t e ms t r u c t u r ea n dt h em o d u l ed e v e l o p m e n t a p p l yt h ed e s i g nt h i sa r t i c l eb r i n g ，t h ev e h i c l e sw i t hd a n g e r o u sm a t e r i a li nt h em o v e m e n tp r o c e s s ，t h eg p sr e c e i v e ro nt h ev e h i c l et e r m i n a lr e c e i v e sl o c a l i z a t i o nd a t af r o ml o c a l i z a t i o ns a t e l l i t e ，c a l c u l a t e so w ng e o g r a p h i c a lp o s i t i o nc o o r d i n a t e s ，o f f e rt h eg p sd a t af o rv e h i c l en a v i g a t i o nt e r m i n a lt on a v i g a t e a tt h es a m et i m e ，t h ec o o r d i n a t e sd a t at h r o u g ht h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l eo nt h ev e h i c l et e r m i n a l ，u s e st h ev e h i c l e sp o s i t i o n , t h ec o n d i t i o n ，t h ea l a r ma n do t h e ri n f o r m a t i o nt h r o u g ht h eg p r sn e t w o r k , t r a n s m i t st ot h ec e n t r a ls e r v e rw h i c hh a st h es t a t i ci pa d d r e s s ，c o e x i s t st h ec e n t r a ld a t a b a s e s i m u l t a n e o u s l ys e n dt h ea l a r mi n f o r m a t i o nt ot h ec o r r e s p o n d i n gm o n i t o r i n gu n i t t h em o n i t o r i n gu n i tc o n n e c tt h ec e n t r a ls e r v e rt h r o u g hi n t e r a c to rt h eg p r sn e t w o r k ，r e c e i v et h ed a t af r o mc e n t e rs e r v e r , t h u sm o n i t o rt h ev e h i c l e sw i t hd a n g e r o u sm a t e r i a l ，a l s om a yi n q u i r ea b o u tt h et r a c ko ft h ev e h i c l e sw i md a n g e r o u sm a t e r i a l ，t h ep r o c e s s e di n f o r m a t i o no ft h ev e h i c l e sw i t hd a n g e r o u sm a t e r i a lm a t c hu pt ot h ee l e c t r o n i cm a po nt h em o n i t o r i n gt e r m i n a l ，a n dd i s p l a yc o r r e c tp o s i t i o no ft h em o b i l et a r g e to nt h em a p ，t h u se n a b l et h em o n i t o r i n gc e n t e rc l e a r l ya n dd i r e c t l yc o n t r o lt h ei id y n a m i cp o s i t i o n a li n f o r m a t i o no ft h ev e h i c l e sw i t hd a n g e r o u sm a t e r i a l k e y w o r d s ：g p s ，g p r s ，g i si论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：闻毒明年占月7 日论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：刷雅辄庇b #v同导仂睁6 只7b晖6 其9 日长安大学硕士学位论文第一章绪论1 1 研究背景及意义紧急事件是影响道路正常运行，造成交通阻塞的重要原因，在每年的交通统计中因紧急事件造成的经济损失一直占很高的比例，并呈逐年上升趋势。作为特殊运输的危险品运输虽然在道路运输中占很小的比例，但其造成的危害是不容忽视的。具有爆炸、易燃、毒害、腐蚀、放射性等危险性质的化学物品通称为危险化学品。危险化学品，简称为危险品。国家标准g b 6 9 4 4 8 6 危险货物分类和品名编号给出的定义是：“凡具有爆炸、易燃、毒害、腐蚀、放射性等性质，在运输、装卸和储存保管过程中，容易造成人身伤亡和财产损毁而需要特别防护的货物，均属危险货物。由此可见，危险品是具备这样三个要素或其中之一：一是具有爆炸、易燃、毒害、腐蚀、放射性等性质；二是容易造成人身伤亡和财产损毁；三是在运输、装卸和储存保管过程中需要特别防护。近年来，随着社会进步以及国民经济的持续快速发展，道路危险品运输业日渐增多，我国的危险品运输安全管理面临新的挑战。日益增加的危险品运输对城镇、人群、河流的威胁越来越大，危险品运输的安全问题得到了越来越高的重视。城市每天多辆液化气运输车辆在街上行驶，行驶的安全监控问题一直令运输单位和消防部门头痛。车辆行驶在外，公司只能通过高频电话联系，十分不便。而且一旦发生事故，有关部门不能及时处理。2 0 0 4 年4 月1 5 日，重庆天原化工厂发生液氯泄漏爆炸事故，造成9 人死亡，1 5万名群众被迫紧急疏散。2 0 0 5 年3 月2 日，京沪高速淮安段发生液氯泄漏事故，造成2 9 人死亡，1 万多名村民被迫疏散转移。2 0 0 5 年1 1 月1 3 日，中石油吉林石化公司双苯厂苯胺装置发生爆炸火灾事故，除5 人死亡、1 万多人被迫疏散群众外，并导致松花江水严重污染，给下游人民群众的生产生活带来威胁，造成了负面的国际影响。2 0 0 6 年1月2 0 日，中石油四川仁寿县富加镇天然气管道发生特大爆燃事故，造成l o 人死亡，3人重伤，4 7 人轻伤，当地政府对1 公里范围内的1 8 0 0 余名群众进行了紧急疏散。这些事故的发生，除些地方和单位忽视安全、管理松懈，监管不扎实、执法不严格、责任不落实、措施不到位外，安全科技水平低，缺乏有效的监控手段是十分重要的原因之一。我国现阶段对重大危险源、危险品运输和客运车辆、货物和人员缺乏系统、有效的监控管理，尚未建立起监测、控制、预警系统以及防范突发性事故的应急救援系统。日益增加的危险品运输对城镇、人群、河流的威胁越来越大，危险品运输的安全问第一章绪论题得到了越来越高的重视。迄今为止，对危险化学品的物流管理的研究几乎是空白。危险品运输风险大，安全要求高，事故造成的社会后果和财产损失非常严重，所以探寻一条危险品运输行业安全管理之路，改善危险品安全生产运输环境，确保危险品运输行业安全、健康、持续发展，已成为道路运输管理部门和危险品运输行业的重要课题。因此，g p s g p r s g i s 危险品运输监控系统就应运而生了。基于g p s g p r s g i s 的危险品运输监控系统是由地理信息系统技术、空间定位技术和无线数据通信技术集成的典型应用系统。本文在总结吸收前人研究成果的基础上，主要介绍一种基于g p s g i s g p r s 的实时基于g p s g p r s g i s 的危险品运输监控系统在公路危险品运输上的应用。文中分析了g p s g p r s g i s 技术的特点及结合的方法，着重阐述实验系统结构与模块的开发。应用本文设计的基于g p s g i s g p r s 的危险品运输监控系统，装载危险品的车辆在运行过程中，车载终端的g p s 接收机接收定位卫星的定位数据，计算出自身所处地理位置的坐标，坐标数据通过车载终端的通信模块，利用g p r s 网络将车辆的位置、状态、报警等综合信息发送到具有静态地址的中心服务器，并存人中心数据库。同时将相应的报警信息发送到与之相应的监控单元。监控单元通过i n t e m e t 或g p r s 网络与中心服务器进行连接，实时接收中心服务器发来的数据，从而达到对装有危险品车辆的监控，有效的监控管理，尚未建立起监测、控制、预警系统以及防范突发性事故的应急救援系统。由于危险品运输事故频发，危险品运输安全已经引起了地方政府和行业管理部门的高度重视。危险品运输风险大，安全要求高，事故造成的社会后果和财产损失非常严重，如何探寻一条危险品运输行业安全管理之路，改善危险品安全生产运输环境，确保危险品运输行业安全、健康、持续发展，已成为道路运输管理部门和危险品运输行业的重要课题。1 2g p s g p r s g i s 的发展现状概述当前信息时代社会中，交通运输的合理调度和管制是一个从实际出发的重要问题，也是促进社会生产和人类生活的关键环节，如出租汽车的监测和调度、公共汽车的合理调度、公安警车的调度和指挥、运钞车的监挖、各行业运输车辆的监控等等。一方面需要车辆实时向总部报告自己的位置：另一方面总部可实时的查询各车辆的位置，以便及时指挥调度和处理突发事件。g p s 跟踪定位系统在我国的发展主要是从9 0 年代初期开始的，至今有十几年的时间，在这期间g p s 移动跟踪系统的发展经历的两次起落。第一次在1 9 9 4 1 9 9 5 年，由于2长安大学硕士学位论文市场尚未形成，技术尚未成熟，在这一阶段g p s 的应用一直未形成规模效应。从1 9 9 9年开始为第二次浪潮，随着作为系统的瓶颈问题的通讯网络通过采用g s m 公众网的s m s 的应用而找到了新的出路。g p s 应用的发展方向主要有两个方向：一是相对独立自主导航系统，它自备电子地图，主要是目的地寻找、路径引导、信息查询等一系列功能，这类系统在发达国家得到很好的应用。二是车辆定位跟踪系统，该系统在我国的市场需求日益明显，而且也初具规模。这种系统的应用主要在一些有位置信息需求的行业，如银行、公安、消防、交通、货运和出租车等行业，己经逐步形成一个需求很大的市场。g p s 从1 9 5 8 年开始设计实施以来，其卫星已经经历了几次换代，目前运行着的卫星为b l o c k i ir 型。随着2 0 0 0 年5 月1 日美国s a ( 选择性应用政策) 的取消，不通过任何的差分处理，用于民用信号的定位精度能达到1 5 米，能够满足基本m 民用，这样就降低了g p s 应用的成本，美国政府现已就g p s 三代的建设纳入议事日程，计划在2 0 1 0年完成，从而能够提供更为精确和广泛的服务。同时我国已经发射了两颗定位卫星，提供与g p s 相似的服务，而欧共体的伽利略全球卫星定位系统已完成测试，即将投入使用，其定位精度更高。无线数据通讯技术作为g p s 应用实现的主要技术手段，在近年得到长足的发展。g p r s 功能已经在很多地区开通运行，而第三代移动通讯网3 g 将使人们真正进入无线互连的时代。作为g p s 应用主要载体的g i s 技术在各个领域的应用已经非常成熟，而且我国目前已有自主版权的g i s 系统平台，如s u p e r m a p 等。相信随着g p s 和通讯手段的不断进步和发展，g p s 基于g p s g p r s g i s 的危险品运输监控系统将会在更高层次和更大范围得到应用。g p r s 作为2 5 g 技术，目前还处于实验和摸索阶段，但是，从用户热烈欢迎、存在巨大的市场潜力、运营商的积极尝试等等条件看，移动数据通信大发展的趋势已经形成，预示着g p r s 市场的全面展开。g p r s 其中的一个卖点是按内容流量计费，即是用户一直在线，按照用户接收和发送数据包的数量来收取费用，这就涉及到一个特定计费系统的开发问题。g p r s 受到青睐的另一个原因在于，比起运营商为3 g 所付出的巨大投入，g p r s 的建设并不需要花费更大的资金。g p r s 网络采用的是双轨制，即手机通话继续使用g s m ，而数据的传送则使用g p r s 。而且g p r s 技术向下兼容g s m ，因此运营商只需沿着现有的g s m 网络来发展即可，无须另外追加投资。据f o r r e s t e r 研究公司和商业周刊的测第一章绪论算，欧洲升级现有g s m 网络到g p r s 的投入为2 7 6 亿美元，分摊在每个用户身上的建网成本只有9 美元。因此，从这一角度来说，g p r s 是对g s m 网络的一个升级，它的引入将延伸g s m 系统的生存周期。因此，f o r r e s t e r 研究公司分析师这样认为“明智的电信运营商将选择以2 5 g 服务进行积累。并尽量减少对3 g 的先期投入。所以，电信巨头们都希望紧紧抓住这根救命草，成功的过渡到3 g 时代。地理信息系统( g i s ) 是一门实践性很强的学科，它既有理论和方法研究的一面，又有技术和产品开发的一面。从产品的角度看，g i s 主要包括数据产品和软件产品( 或部分软硬件一体化的产品) 。地理信息产业是信息产业的一个重要组成部分，地理信息技术是技术的一个重要分支，地理信息系统软件是一类特殊的计算机信息系统软件，它是以各类空间数据及其属性为基础。g i s 的概念出现在6 0 年代，当时国外从空间数据的地学处理入手，开始了对其技术与方法的研究。到了7 0 年代，由于计算机处理能力的飞速发展和环境、资源等问题日益突出，g i s 技术开始进入实用，出现了实际的g i s 应用系统。8 0 年代则是g i s 大发展的时期，技术逐渐走向成熟，专业制造商开始出现，商业化的实用系统进入市场，应用领域迅速扩大。我国在这方面虽然起步稍晚，但经过2 0 余年的努力，也有了相当的发展。从六五”到”八五”期间，我国的g i s 技术得到了长足的发展。特别是”九五”期间，原国家科委将g i s 作为独立课题列入”重中之重”科技攻关计划，给予了充分的重视和支持，技术发展速度明显加快，g i s 基础软件技术支持得到了全面的加强，出现了一批有水平的技术成果和产品。在市场方面，国产软件由于价格和服务方面的优势，显示出了强大的生命力。例如，ma p g i s 在国内拥有的用户已经超过了1 4 0 0 个；g r o w 在一些重要工程的竞争中击败了国外著名的g i s 软件；g e o s c a n a 在数据产品生产方面得到了普遍的使用。抽样调查的数据表明，在已经建成的g i s 系统中，使用国产基础软件的系统约占2 6 ，与a r c i n f o 、m 印m f 0 的市场占有率相当。1 3 主要研究内容及成果危险品车辆监控调度系统是集全球卫星定位系统( g p s ) 、地理信息系统( g i s ) 以及无线通信技术于一体的软、硬件综合系统。其主要由三部分组成：车载终端、无线数据链路和监控中心系统。可对危险品车辆进行统一集中管理和实时监控调度。该系统利用g p s 接收机获得车辆的定位信息，将车辆信息数据和语音预处理后通4长安大学硕士学位论文过g p r s 无线通信链路实时传送到监控中心，并显示在由一个g i s 平台提供的电子地图上，监控中心利用g i s 平台对接收的数据进行分析和查询，完成危险品信息的收集和监控管理等功能。g i s 是交通管理的基础信息数据库，它由静态的道路网、道路宽度、等级、路名、地形地貌、重要场所等信息和动态的交通组织方案、等时图、交通拥堵、交通事故多时段、路段、警力配置等信息共同组成。它可以利用多媒体技术把一张地图分层展开，并按需要配上相应的数据、图形、图像、声音信息，使我们最大限度地对有关内容得到了解。交通地理信息系统的特点是规模庞大，结构复杂，功能综合，因素众多。其主要功能是：( 1 ) 数据采集与编辑及时输入、更新、编辑高速公路的地图数据和相关的属性信息。( 2 ) 数据存储与管理实现对高速公路数据库的定义，数据的访问，数据检索，属性数据的d b m s 数据的更新、维护等。( 3 ) 空间分析和统计确定高速公路地理要素之间新的空间关系。o( 4 ) 成果显示根据用户的要求显示相关的结果信息。( 5 ) 系统分析与决策功能实现危险品运输车辆g p s 监控调度系统具有全天候、全路线车辆实时动态监控的功能，主要应用于车辆的跟踪、调度、监督、历史记录查询、安全报警、车辆档案管理等多种用途。j强大的车辆准确定位、实时监控、高效调度功能快速的报警处理机制，将意外情况带来损失降低到最小限度提供多种监控方式，可对特定区域和线路进行重点监控兼容多种车载终端，赋予用户在硬件选择上的高度灵活性可同时支持多种通信方式，包括g s m c d m a 短消息、g p r s 、集群系统具有完整安全以及自动灾难恢复机制，保证系统安全稳定精确的数字地图及专业的地图服务支持一业界领先的高速2 d g i s 及3 d g i s 引擎，特别适合实时监控系统1 4 论文组织基于g p s g p r s g i s 的危险品运输监控系统是由地理信息系统技术、空间定位技术和无线数据通信技术集成的典型应用系统，目前己经成为g i s 和g p s 应用的一个热点。本文在总结吸收前人研究成果的基础上，主要介绍一种基于g p s g p r s g i s 的的危险s第一章绪论品运输监控系统在公路危险品运输上的应用。文中分析了g p s g p r s g i s 技术的特点及结合的方法，着重阐述实验系统结构与模块的开发。论文共分五章，具体各章内容安排如下：第一章：绪论。当今危险品运输管理的现状及存在的问题的基础上提出本课题的研究背景和意义，并提出了本文的研究内容。第二章：基于g p s g p r s g i s 的危险品运输监控系统的关键技术概述。在这一部分分析了组成本系统的各个单元的技术，针对全球导航定位系统、无线数据传输系统以及地理信息系统进行详细阐述与介绍。第三章：基于g p s g p r s g i s 的危险品运输监控系统设计。对组成系统的三个部分：车载单元、数据通信单元及控制端分别进行设计与开发。第四章：系统开发需要的软硬件环境概述。在前面章节研究的基础上，本章对系统的整体硬件结构与软件环境进行了介绍。第五章：结论与展望。通过总结本文研究成果的基础上，提出了一些需要进一步做的工作和继续研究的问题，并对今后的发展方向进行了展望。6长安大学硕士学位论文第二章基于g p s g p r s g i s 的危险品运输监控系统的关键技术概述尬基于g p s g p r s g i s 的危险品运输监控系统由车载终端、无线通信链路和车辆监控中心三个部分组成。在g p s 车辆监控调度系统中，车辆定位终端采用g p s 定位技术和传感器来获取当前车辆的位置与危险品信号，采用无线通信模块进行数据的传输，在监控中心，将通过无线通信模块传输过来的信息进行处理，并通过g i s 软件在电脑上进行直观的显示。下文对要使用到的这三种核心技术做了详细介绍。系统总体结构如图2 1所示：柚胁器慧嫠袅车载终端车辆监控中心图2 1g p s 车辆定位监控系统总体结构图2 1 全球卫星定位系统g p s 及相关技术2 1 1g p s 的提出全球定位系统( g p s ) 原名为“导航星 ( n a v s t a r ) 系统，是美国国防部于1 9 7 3 年1 1 月授权开始研制的海陆空三军共用的美国第二代卫星导航系统，是美国继阿波罗登月飞船和航天飞机之后第三大航天工程。整个系统需要2 4 颗卫星以提供高精度的定位和连续的全球覆盖。该计划分两个阶段，第一阶段持续到1 9 7 9 年，这一阶段进行方案论证，在此阶段发射了四颗用作系统实验的卫星，以验证其能否达到预定目标。尽管此系统是为了满足军方需要而研制的，越来越多的民用正在使用这一系统。第二阶段1 9 7 9 年开始，这一阶段进行了全面研制和系统测试，取得了显著进展。1 9 8 3 年初，洛克韦尔公司接受了一项价值1 2 亿美元的合同，用于生产2 8 颗g p s 卫星。7第二章基于g p s g p r s g i s 的危险品运输监控系统的关键技术概述最初计划1 9 8 年开始发射，后由于“挑战者号航天飞机失事，该计划被迫推迟。卫星发射日程从1 9 8 9 年2 月才重新开始。1 9 9 3 年1 2 月8 日，美国国防部正式宣布，g p s卫星星座己达到初始工作能力。目前g p s 技术的应用己进入各个领域( 陆地、海洋、航空、航天、测量等) ，用于多种用途( 航路导航、进场着陆、精密定时、卫星定轨、灾害监测、资源调查、工程建设、市镇规划、海洋开发、交通管制等) 。2 1 2g p s 系统组成g p s 系统主要由三大部分组成：即空间部分g p s 空间卫星，地面控制部分一一地面监控系统，用户设备部分蝴s 信号接收机。1 、g p s 空间卫星g p s 卫星是洛克韦尔国际公司空间部研制的，卫星重约7 4 4 k g ，采用铝蜂巢结构，主体呈柱形，直径1 5 m 。卫星底部装有多波束定向螺旋天线阵，能发射l 1 和l 2 波段的信号，其波束方向能覆盖约半个地球。星体两端面上装有全面向遥测遥控天线，用于和地面监控网通信。2 1 + 3 颗g p s 卫星分布在互成6 0 度的6 个椭圆形轨道面上，轨道倾角为5 5 度，每个轨道面上布设4 颗卫星，卫星轨道的长半轴为2 6 6 0 9 k m ，偏心率为o 0 l ，卫星运行高度为2 0 2 0 0 k m ，运行周期为1 2 h 。此轨道参数能保证卫星信号覆盖地面面积3 8 ，地球上任何一点任何时刻均能观测到至少4 颗g p s 卫星，卫星运行到轨道的任何位置上，对地面的距离和波束覆盖面积基本上不变。在波束覆盖区域内，用户接收到的卫星信号强度近似相等，即用于定位的卫星信号信噪比近似相等。g p s 卫星的作用是向广大用户连续不断的发送导航信号( 又称g p s 信号) ，并用导航电文报告自己的现时位置以及其他在轨卫星的概略位置；接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，如：适时地改正运行偏差，或者启用备用时钟等命令；在飞越注入站上空时，接收由地面站用s 波段发送到卫星的导航电文和其他相关信息，并通过g p s 信号形成电路适时地发送给广大用户。2 、地面监控系统对于导航定位来说，g p s 卫星是一个动态己知点。卫星的位置是依据卫星发射的星历( 描述卫星运动及其轨道的参数) 计算出来，每颗g p s 卫星所发出的星历是由地面监控系统提供的。太空中卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否直沿着预定轨道正常运行，都通过地面设备进行监测和控制。地面监控系统的另一个重要作用是长安大学硕士学位论文保持各卫星都处于同一时间标准即g p s 时间系统。这就需要地面监控站测量出各卫星的时间，求出钟差，然后由地面注入站发送给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。g p s 工作卫星的地面监控系统包括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g p s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，让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，检验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。每天注入三次，每天注入1 4 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给主控站提供卫星的观测数据。每个监测站均用g p s 信号接收机对每颗可见卫星每6 分钟进行一次数据采集。在主控站的遥控下自动采集定轨数据并进行各项改正，每1 5 分钟平滑一次观测数据，依此推算出每2 分钟间隔的观测值，然后将其发送给主控站。3 、g p s 信号接收设备上述两部分是由专门的机构投资建立、维护和运行，一旦工作，将不间断地提供导航信息，该信息可供所有具有g p s 接收机的用户使用。g p s 接收设备指的是g p s 信号接收机。g p s 卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要拥有能够接收、跟踪、变换和测量g p s 信号的接收设备，即g p s 接收机，就能够在任何时候利用它进行导航定位测量。g p s 信号接收机硬件和机内软件以及g p s 数据处理软件包，构成完整的g p s 用户接收设备。g p s 接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分，如图2 2 所示t9第二章基于g p s g p r s g i s 的危险品运输监控系统的关键技术概述图2 2g p s 接收机的基本构成g p s 接收机仅接收数据，因此在同一区域中可有任意数目的用户使用g p s 信号。g p s 信号接收机的任务是：对所接收到的g p s 信号进行变换、放大和处理，以便测量出g p s 信号从卫星到接收机的传输时间，解释出g p s 卫星所发送的导航电文，实时地计算出测量站的三维位置、三维速度和时间。静态定位中，g p s 接收机在捕获和跟踪g p s 卫星的过程中固定不变，接收机高精度的测量g p s 信号的传播时间，利用g p s 卫星在轨道上的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用g p s 接收机测定一个运动物体的运动轨迹。g p s 信号接收机所位于的运动物体叫载体。载体上的g p s 接收机天线在跟踪g p s 卫星的过程中相对地球而运动，接收机用g p s 信号实时测量运动载体的状态参数。2 1 3g p s 卫星信号与美国的s a 与a s 政策g p s 卫星信号是g p s 卫星向地面用户发送的用于导航定位的调制波，它包含有：载波、测距码和数据码。时钟基本频率为1 0 2 3 m h z 。g p s 使用l 波段的两种载波：l l 载波：频率为1 5 7 5 4 2 m h z ，波长为1 9 0 3 2 c m 。l 2 载波：频率为1 2 2 7 6 m h z ，波长为2 4 4 2 c m 。选择这两个频率目的在于测量出或消除因电离层效应而引起的延迟误差。g p s 测距码，t l p g p s 卫星的导航电文，它是用户用来定位和导航的数据基础。它主要包括：卫星星历、时钟改正、工作状态信息以及c a 码( 供民用用户使用，用户通过这些码可以得到基本的定位信息。) 转换到捕获p 码的信息。这些信息是以二进制码的形式，按规定格式组成，按帧向外播送。1 0长安大学硕士学位论文美国为了防止未经许可的用户把g p s 用于军事目的( 进行高精度实时动态定位) ，于1 9 9 1 年7 月开始实施s a 和a s 政策。s a ( s e l e c t i v e a v a i l a b i l i t y ) 技术即有选择可用技术，它人为的将误差引入卫星时钟和卫星数据中，故意降低g p s 定位精度。使c a 码定位的精度从原来的2 0 m 降低到1 0 0 m 。a s ( a n t i s p o o f i n g ) 技术即反电子欺骗技术，其目的是防止敌方使用p 码进行精密导航定位，实施a s 技术时，非特许用户将不能接收到p 码。这项技术仅在特殊情况下使用。s a 和a s 技术的实施将对定位产生很大的影响：( 1 ) 降低单点定位的精度；( 2 ) 降低长距离相对定位的精度；( 3 ) a s 技术会对高精度相对定位数据处理带来不便。但考虑到g p s 的巨大的实用价值，美国总统克林顿颁布法令，将g p s 向民用领域免费开放，同时在2 0 0 0 年5 月1 日起停止s a 政策，即不再对民用定位码加入人为干扰，使民用定位精度大大提高，目前定位精度1 5 m 。2 1 4g p s 定位原理测量学中有测距交会确定点位的方法。与其相似无线电导航定位系统、卫星激光测距定位系统，其定位原理也是利用测距交会的原理确定点位。就无线电导航定位来说，设想在地面上有三个无线电信号发射台，其坐标己知，用户接收机在某一时刻采用无线电测距的方法分别测得了接收机至三个发射台的距离d 1 ，d 2 ，d 3 。只需以三个发射台为球心，以d 1 ，d 2 ，d 3 为半径作三个定位球面，则三个球面交会出接收机所在的空间位置。如果只有两个无线电发射台，则可根据用户接收机的概略位置交会出接收机的平面位置。这种无线电导航定位是至今为止仍在使用的飞机、轮船的一种导航定位方法。近代卫星大地测量中的卫星激光测距定位也是应用了测距交会定位的原理和方法。虽然用于激光测距的卫星( 表面上安装有激光反射镜) 是在不停地运动中，但总可以利用固定于地面上三个己知点上的卫星激光测距仪同时测定某一时刻至卫星的空间位置。如此，可以确定三颗以上卫星的空间位置。如果在第四个地面点上( 坐标未知) 也有一台卫星界激光测距仪同时参与测定了该点至三颗卫星点的空间距离，则利用所测定的三个空间距离可以交会出该地面点的位置。将无线电信号发射台从地面点搬到卫星上，组成一颗卫星导航定位系统，应用无线电测距交会的原理，便可由三个以上地面已知点( 控制站) 交会出卫星的位置，反之利用三颗以上卫星的己知空间位置又可交会出地面未知第二章基于g p s g p r s g i s 的危险品运输监控系统的关键技术概述点( 用户接收机) 的位置。这便是g p s 卫星定位的基本原理。g p s 卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息。用户用g p s接收机在某一时刻同时接收三颗以上的g p s 卫星信号，测量出测站点( 接收机天线中心)p 至三颗以上g p s 卫星的距离并解算出该时亥j g p s 卫星的空间坐标，据此利用距离交会法解算出测站p 的位置。如图2 3 ，设时刻t ，在测站点p 用g p s 接收机同时测得p 点至三颗g p s 卫星s 1 ，s 2 ，s 3 的距离，通过g p s 电文解译出该时刻三颗g p s 卫星的三维坐标分别为( x i ，y i ，z i ) ，i = l ，2 ，3 。用距离交会的方法求解p 点的三维坐标( x ，y ，z ) 的观测方程为公式2 - 1 。图2 3g p s 定位原理岛2 = ( x 一五) 2 + ( 】，一x ) 2 + ( z z j ) 2p 2 2 = ( x 一置) 2 + ( 】厂一e ) 2 + ( z z 2 ) 2p 3 2 = ( x 一墨) 2 + ( j ，一e ) 2 + ( z z 3 ) 2公式2 1在g p s 定位中，g p s 卫星是高速运动的卫星，其坐标值随时间在快速变化着。需要实时地由g p s 卫星信号测量出测站至卫星之间的距离，实时地由卫星的导航电文解算出卫星的坐标值，并进行测站点的定位。依据测距的原理，其定位原理与方法主要有伪距定位，载波相位测量定位以及差分g p s 定位等。对于待定点来说，根据运动状态可以将g p s 定位分为静态定位和动态定位。静态定位指的是对于固定不动的待定点，以确定该点的三维坐标，又叫绝对定位。若以两台g p s 接收机分别置于两个待定点之间的相对位置，又叫相对定位。而动态定位则至少有一台接收机处于运动状态，测定的是各观测时1 2长安大学硕士学位论文刻运动中的接收机的点位。2 1 5g p s 技术在我国的技术应用及现状新中国成立后，我国的航天科技事业在：自力更生、艰苦创业的征途上，逐步建立和发展，跻身于世界先进水平的行列，成为世界空间强国之一。从1 9 7 0 年4 月把第一颗人造卫星送入轨道以来，我国己成功地发射了三十多颗不同类型的人造卫星，为空间大地测量工作的开展创造了有利条件。7 0 年代后期，有关单位在从事多年理论研究的同时，引进并试制成功了各种人造卫星观测仪器。其中有人卫摄影仪、卫星激光测距仪和多普勒接收机。根据多年的观测实践，完成了全国天文大地网的整体平差，建立了1 9 8 0 年国家大地坐标系，进行了南海群岛的联测。8 0 年代初，我国一些院校和科研单位已开始研究g p s 技术。十多年来，我国的测绘工作者在g p s 定位基础理论研究和应用开发方面作了大量工作。8 0 年代中期，我国引进g p s 接收机，并应用于各个领域。同时着手研究建立我国自己的卫星导航系统。在大地测量方面，利用g p s 技术开展国际联测，建立全球性大地控制网，提供高精度的地心坐标，测定和净化大地水准面。在工程测量方面，应用g p s 静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。应用g p s 实时动态定位技术测绘各种比例尺地形图和用于施工放样。在航空摄影测量方面，我国测绘工作者也应用g p s 技术进行航测控制测量、航摄飞行导航、机载g p s 航测等航测成图的各个阶段。在地球动力学方面用于全球板块运动监测和区域板