全球定位系统及其应用综述

ＣＨＩＮＡＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．３３Ｎｏ．１Ｊａｎ．２００７

全球定位系统及其应用综述（三）

———ＧＰＳ的应用

刘美生

（中国测试技术研究院，四川成都６１００２１）

摘

要：着重研讨了ＧＰＳ在军事、地球物理和大地测量、航空航天及空间技术、工程测试、交通运输及工农业生产中

广泛的创新的应用情况，客观地总结了ＧＰＳ是具有重要战略意义和较高实用价值的系统工程，是继移动通讯和互联网后的第三大高新应用技术，它将在国防建设、国民经济及现代社会中发挥极其重要的作用。关键词：ＧＰＳ；全球定位系统；高新技术；应用；定位；导航；授时；发展中图分类号：Ｐ２２８．４

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７２－４９８４（２００７）０１－０００５－０７

Ｇｌｏｂａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｎｉｔｓｕｓｅ（３）

———ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＧＰＳ

ＬＩＵＭｅｉ－ｓｈｅｎｇ

（ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＴｅｓｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００２１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｄｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙｔｈｅｅｘｔｅｎｓｉｖｅｉｎｎｏｖａｔｏｒｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＧＰＳｉｎｍｉｌｉｔａｒｙａｆｆａｉｒｓ，

ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓａｎｄｇｅｏｄｅｓｙ，ａｖｉａｔｉｏｎａｅｒｏｓｐａｃｅ，ｓｐａｃｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ－ｔｅｓｔｉｎｇ，ｔｒａｆｆｉｃ－ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，ｉｎｄｕｓｔｒｙａｎｄａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｏｂｊｅｃｔｉｖｅｌｙｉｎｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｔｈａｔＧＰＳｉｓａｓｙｓｔｅｍ－ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｗｉｔｈｉｍｐｏｒｔａｎｔｓｔｒａｔｅｇｉｃ－ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅａｎｄｇｒｅａｔｕｓｅｆｕｌ－ｗｏｒｔｈ．Ｉｔｉｓｔｈｉｒｄｇｒａｎｄｎｅｗａｐｐｌｉｅｄ－ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｆｔｅｒｔｈｅｍｏｂｉｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｒｎｅｔ．ＧＰＳｗｉｌｌｐｌａｙｅｖｅｒｍｏｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｕｎｃｔｉｏｎｉｎｎａｔｉｏｎａｌｄｅｆｅｎｃｅ，ｎａｔｉｏｎａｌｅｃｏｎｏｍｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｓｏｃｉｅｔｙｏｆｔｏｄａｙｆｉｅｌｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＧＰＳ；Ｇｌｏｂａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；Ｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ；Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ；Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ；Ｇｉｖｅ－ｔｉｍｅ；Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ

１引言

高稳定度的时间基准，提供高精度的频率信号。通电力、城市管网采信行业用ＧＰＳ做时间同步测控，

用ＧＰＳ布线，交通、运输、公安、银行、医疗、消防部门用ＧＰＳ营建监控指挥、紧急救援及报警系统；电子商务用ＧＰＳ进行客户管理和物流配送；而电脑商、通讯商正在推动通讯、电脑、ＧＰＳ一体化的各类移动信息终端应用，它是继移动通讯和互联网后的第三大高新应用技术。

ＧＰＳ最初为美国军方专用。海湾战争后，美国在采取降低精度的ＳＡ政策的基础上向民用开放了Ｃ／Ａ码。尽管如此，ＧＰＳ全球性全天候提供的高精度定位及时间信息资源引起了全世界的强烈兴趣。各国科技工作者迅速开展了ＧＰＳ技术的应用研究，在先后研制出载波相位、实时差分等一系列能大幅提高测量精度的先进测量技术、满足各国广泛应用要求的同时，也大力推动了ＧＰＳ导航定位技术的迅速发展。

ＧＰＳ系统的核心技术就是准确的授时和精确的定位，从技术角度讲ＧＰＳ可用于与精密定位、精确导航、准确授时有关的所有应用。它既能给出精确的空间位置、速度、距离信息，用于卫星、飞机、车船等所有在空中、海洋和陆地上移动客体的导航，实施导弹、高速飞行体的精密制导，又能向全球播授

收稿日期：２００６－０７－１５；收到修改稿日期：２００６－０８－２６基金项目：国家科技基础条件平台重点专项（２００３ＤＩＡ６Ｎ０１６）作者简介：刘美生（１９５１－），男，研究员，主要从事计量测试技术研究，在光电技术及机动车运行安全性能检测方面有深入研究。

２ＧＰＳ在军事上的应用

美国研制建造庞大的ＧＰＳ系统的根本目的是

为了满足美国陆海空三军的军事需要，掌握能在世界范围内实施精确、快速定位和导航的高端技术，从而控制制空权；而且至今ＧＰＳ系统仍然由美国军方控制。目前采用差分ＧＰＳ技术，一辆时速超过１００ｋｍ的军车的运行轨迹的测量准确度可达到厘米级；之所以“爱国者”能成功地拦截“飞毛腿”、美国空军在短短的几十小时就让伊拉克空军处于瘫痪、美国导弹能高命中率地击中伊拉克的各个目标，靠的就是高精度时间系统保证下的精确制导和精准打击。可以毫不夸张地说：现代军事是以高水平计

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中国测试技术２００７年１月

量测试技术为支撑的高科技竞争、高投入比拼；未来战争将是尖端技术云集的科技战、远程运筹指挥的智能战、以各种测试数据和信息为依托的数字ＧＰＳ在军事上的应用既是这一高战、信息战。所以，新技术的最主要应用，也是最重要的应用。目前，几乎所有的国家和地区都不同程度地将ＧＰＳ技术用到了军事和防务上，而且ＧＰＳ精码Ｐ码除美国军方使用外，目前美国授权外国军方使用的有近３０个，其中主要是北约国家的军方，亚太地区主要有：韩国、中国台湾、日本、新加坡、沙特阿拉伯、科威特、泰国等。已在武器试验、战场侦察、搜索救援、空中轰炸、低空突袭等方面研制了一系列的ＧＰＳ军事应用技术和配套设备，更多的军事应用正在探索中，正如海湾战争美军总指挥霍纳将军说的那样：“ＧＰＳ的应用只受到人们想象力的限制”。２．１

飞机导航

ＧＰＳ导航与适当的通信系统结合，可为飞机提供更短的航线和更快捷的进场通道，更加有效地利用现有的飞机及机场设施，提高航空安全性。美国（罗兰）和ＯＭＥＧＡ（奥米伽）无已将ＧＰＳ与ＬＯＲＡＮ

线电导航系统组合应用。在传统陆基导航的基础上，现代军用运输机、歼敌机、战斗机等都在陆续装备ＧＰＳ导航系统。它排除气候环境影响的全天候、不受限于地形与地理位置的全球性为各种飞机或飞行器的精密导航提供了技术保障。椐报道，美国的军用飞机基本上都配备了这一先进设备，尤其是海湾战争中的美军飞机都是在ＧＰＳ导航保证下而高质量高效率地完成任务的。２．２

导弹制导、导弹拦截及目标精准打击

ＧＰＳ可用于远程导弹、巡航导弹等各种导弹的精确制导，也可用装备了ＧＰＳ精密制导装置的导弹去拦截从敌方飞来的导弹、飞机及各种飞行体，可在用ＧＰＳ准确测定被攻击目标位置的基础上再用ＧＰＳ制导导弹去实施精准打击。自ＧＰＳ问世以来，美国等已在科索沃、阿富汗、海湾战争中把ＧＰＳ制导的导弹派上用场。美国的远程地面攻击导弹较为成功地采用了ＧＰＳ／ＩＮＳ组合制导，美国向伊拉克投下的ＧＰＳ制导的巡航导弹的命中率超过９８％。２．３

作战指挥

给前线的部队、给在野外执行任务的士兵、给移动中的军事装备配备带通讯功能的ＧＰＳ接收机，他们不但能随时知道自己的方位，为执行任务确定下一步的行动路线，而且还同时也把这些信息传给

指挥中心，指挥官可清楚地了解他们的实时位置，跟踪移动目标，对其进行科学的调度指挥，这才真正体验了古人的“运筹帷幄，决胜千里”的内涵。２．４

发射阵地快速定位

在现代战争中实施导弹武器的机动发射首先要解决的一个问题就是发射阵地的快速定位与定向。其定位、定向速度的快慢和精度的高低将直接影响导弹机动发射的速度及命中目标的效果。目定向，具有前，应用ＧＰＳ进行发射阵地的实时定位、精度高、速度快、设备简单、操作方便且不受环境限制的特点，较传统方法有较明显的技术先进性和实用性，已被广泛应用。２．５

外弹道测量

ＧＰＳ应用于导弹试验靶场外弹道测量，既可以实时测定导弹的位置和速度，又可经事后处理得到精确的弹道轨迹参数和时间信息，并且能够克服目前无线电测量系统在跟踪方面的很多不利条件，是一种创新的靶场外测技术。

３ＧＰＳ在地球物理和大地测量领域的应用

ＧＰＳ定位技术的迅速发展给测绘工作带来了

革命性的变化，尤其是３Ｓ技术（ＲＳ遥感、ＧＰＳ、ＧＩＳ地理信息系统）在地球物理及大地测量中的应用已成为非常有吸引力的高新技术领域。３．１

地球物理观测

ＧＰＳ已用于监测全球板块和区域板块运动、建立陆地海洋大地测量基准、进行高精度的海岛陆地联测、海洋及水下地形测绘；用于地震观测和地壳形变监测，测定全球性的地球动力学参数。我国已青藏高原地壳运用ＧＰＳ技术监测南极洲板块运动、

动，建立了ＧＰＳ技术的中国地壳形变观测网、三峡库区形变观测网、首都圈形变监测网等。３．２

大地测量

在大地测量中已广泛利用ＧＰＳ技术开展国际联测，建立高精度的全球性及国家大地测量控制网，提供高精度的地心坐标及快速测定各级控制点甚至可以不布设各的坐标。特别是应用ＲＴＫ技术，

级控制点，仅依据一定数量的基准控制点便可快速高精度地测定大地选点、地形点、地物点的坐标；利用测图软件可以在野外一次测绘成图并形成各种比例的电子图件。在大地航测中用机载差分ＧＰＳ可测出摄影中心的三维坐标，而不再需要外控点测量，可实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图，导致地理信息系统、全球与环境遥感监

第３３卷第１期刘美生：全球定位系统及其应用综述（三）———ＧＰＳ的应用

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测的技术革命。３．３

水土保持

在土地资源与土壤侵蚀调查、水土流失监测、水土保持工程规划、生态环境监测等方面都可采用ＧＰＳ技术。如在野外调查和勘测设计中，利用ＧＰＳ技术可以准确定位水土资源的分布、野生群落和物种可计算出区区域等的经纬度和高度，结合ＧＩＳ技术，域的面积，查询到该区域的气候条件等；在水土工程施工测量中应用ＧＰＳ技术布设精密工程控制网，加密测图控制点，实施水土保持地形图、水土工程施工图、水土流失分布图等的精密测绘与成图。３．４

地形、地籍及房地产测量

常规的测图方法实施环节多、工作量大，ＧＰＳ技术给地形、地籍及房地产测量工作带来了巨大的影响。利用ＲＴＫＧＰＳ技术能实时测定每一宗土地的权属界址点及一些地物点的位置并能达到厘米级精度，并快速形成精确的地形、地籍及房地产图。由于ＧＰＳ进行地籍控制测量时具有布点灵活、测量及计算速度快、精度高等优点、点与点之间不要求互相通视，没有常规三角网布设时要求近似等边及精度估算偏低时应加测对角线或增设起始边等繁琐要求，避免了常规地籍测量时控制点位选取的局限条件，只要使用的ＧＰＳ仪器精度与等级控制精度匹配，那么所布设的ＧＰＳ网精度就完全能满足地籍测量规程要求。

设备简单。４．２

航天航空测量设备的标校

航天航空工程中各类光学、无线电测量设备在执行任务前，必须经过准确的标校才能确保其运行可靠，通常采用飞机校飞及弹道摄影仪等设备同步跟踪比较测量的方法进行标校。但是，这类方法只能做固定点的拍摄，测量距离有限，精度难以保证，而且设备庞大，组织工作复杂，费用高。若校飞时在用ＧＰＳ动态定位技术飞机上装上动态ＧＰＳ接收机，

精确确定接收机天线相位中心任意时刻的动态位置、速度、加速度等动态参量，以此作为标准对测量设备进行校准，不但精度很高，而且克服了传统技术的诸多缺憾。４．３

电离层监测

ＧＰＳ在监测电离层方面的应用形成了ＧＰＳ空间气象学这一新学科。太空中充满着等离子体、宇宙射线粒子及各种电磁辐射，太阳又常在１秒钟内抛出百万吨量级的带电物质，电离层由此不断受到强烈的冲击和干扰，即电离层的电子密度总处于动荡之中，研究电离层随太空综合辐射强度、季节、时间、地理位置的变化规律是空间气象学的重要课题之一。电离层的折射率ｎ可近似表示为：

ｎ＝１－４０．２８Ｎｅ／ｆ２

Ｎｅ为电离层的电子密度，ｆ为可穿过电离层的电磁波频率。可在地面设置若干ＧＰＳ固定观测站，通过测定电离层对ＧＰＳ卫星信号的延迟来确定电离层的电子密度及随时间的变化，分析归纳、探索规律，以建立全球的电离层数字模型。４．４

对流层监测

对流层是从地面向上４０ｋｍ范围内的大气底其组成除了层，它集中了整个大气层质量的９９％，各种气体元素外，还含有大量水滴、冰晶和尘埃等杂质，风、雨、云、雾、雪等主要天气现象均出现其中，温度、湿度、压力变化大，具有强烈的对流现象，是复杂多变、对人类生存产生直接影响的大气层区。所以，对对流层的监测研究就显得非常重要。利如研用ＧＰＳ技术进行对流层监测已取得可喜成果，究结果表明：对流层折射已成为限制ＧＰＳ定位精度的重要障碍之一，如果ＧＰＳ信号的入射高度角为９０（°天顶方向），那么因对流层的折射可引起ＧＰＳ信号（２．２～２．６）ｍ的延迟，高度角为１０°时延迟可达２０ｍ，而且２小时内这一延迟又会发生１０ｃｍ的变化。通过这些观测可为寻求对流层的变化规律，探

４在航空航天及空间技术领域的应用

在推动航空航天技术及空间技术的快速发展

方面ＧＰＳ正在并仍将发挥着巨大作用。４．１

空间位置（轨道）和飞行器姿态的确定

ＧＰＳ系统在飞行器空间姿态和空间轨道的确定中具有无与伦比的技术优势，可为航天器制导及运行控制提供位置、速度、姿态和时间等多个状态参数。这种毋需地面观测值和数据处理的技术，必将取代导航、测姿和空间轨道确定的传统设备，实现航天器自主轨道和姿态确定。在飞行器上安装ＧＰＳ天线则可测姿，ＧＰＳ用于航天器的交会对接过程就是飞行器测姿的具体应用。航天器在空间完成交会对接是一项庞大的工程，传统的方法需要使用大量的空间测量设备，使得测量系统非常庞大而复杂；如果在目标航天器与追踪航天器上各装一台ＧＰＳ接收机，则交会对接的大部分测量任务就变得轻松易行，而且由ＧＰＳ构成的测量系统不但可实现航天器交会对接的自主控制，而且测量精度高、用时短、

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索对流层的本质特征提供技术支持。４．５

地球重力场的测量

中国测试技术２００７年１月

幅度降低施工成本；在施工中对长堤坝的坝址位置、高度、坡度及形位等用ＧＰＳ进行实时的高精度监控测试，以保证工程质量。结合适当的增强系统，能确定数千公里范围内河堤的弯曲形状变化。装有ＧＰＳ系统的航道疏浚设备可以准确沿着航道内侧进行疏浚，配合电子海图，ＧＰＳ给在狭长航道中航行的船舶精密导航，充分保证进出港船舶的安全通过。５．４

建筑施工

在机场、桥梁及高层大楼等大型建筑工程施工中，利用ＧＰＳ进行工程控制网布设、基线和距离（长度）测定，辅助控制精确地将各种大型预制件安装到设计位置上等等。ＧＰＳ已成为建立各种工程控制网的主要手段，如在特大桥梁建设的控制测量中利而且能对常规测用ＧＰＳ建网不但能提高点位精度，

量进行有效检验，如在江阴长江大桥建设中，首先用常规方法建立高精度边角网，然后利用ＧＰＳ对该网进行检测，检测结果达到毫米级精度。５．５

矿山和铁路施工、隧道开挖

采用ＧＰＳ技术控制矿山、铁路和隧道工程中的挖掘系统，可以严格按设计要求施工，不会出现超ＧＰＳ的准挖或欠挖；尤其在隧道的两端对挖施工中，确导向为施工带来了极大的便利，如采用ＧＰＳ定位的英法海底隧道相距５０ｋｍ长的两个入口的横向／纵向对中误差仅为５ｃｍ。

利用卫星追踪技术（ＳＳＴ）来测量地球重力场是ＧＰＳ技术的又一重要应用。卫星追踪技术的实质是高分辨率地测定两颗卫星间的距离变化（速度及其变化率）。ＧＰＳ作为高轨卫星追踪低轨卫星，而低轨卫星是作为地球重力场的传感器，即处于低轨上的卫星的运行速度容易受到地球重力场的影响。追踪ＧＰＳ卫星自主准确地测时两颗卫星相距数百公里，

定低轨卫星的相对速度及其变化率，这一速度的不规则变化所产生的信息中包含了地球重力场信息。卫星轨道愈低，速度变化受重力场的影响愈明显，反映重力场的分辨率也就愈高。

５在工程测试中的应用

由于ＧＰＳ的定位精度已达到厘米量级、甚至毫

米，所以利用ＧＰＳ进行空间几何测量和站点定位几乎可以满足所有的户外工程测试需要，以致ＧＰＳ技术在工程测试中发挥着越来越重要的作用。５．１

地质灾害的监测

目前ＧＰＳ在地质灾害的监测、预报及防治方面已应用广泛，尤其在滑坡监测中具有明显的优势，如观测站之间无须通视，不要求控制网保障良好的几何结构，点位选择灵活，定位精度高、可全天候作业。在李家峡水电站滑坡、四川雅安北陇西乡的峡口滑坡、黄腊石滑坡，龙羊峡水电站近坝库岸滑坡、三峡库区其监测数据表明，等滑坡监测中均采用了ＧＰＳ技术，

１０－６。在２０ｋｍ的范围内其相对定位精度可达１×５．２

道路工程

随着高等级公路的迅速发展，对道路施工勘测提出了更高的要求，由于线路长、已知点少，因此，常规测量手段不仅布网困难，而且难以满足高精度的要求。目前，包含有三维信息的ＧＰＳ差分技术已成功应用于建立数字地面模型的数据采集、控制点的加密、中线放样、纵断面测量等方面；在道路工程中已逐步采用ＧＰＳ建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等，如沪宁、沪杭高速公路采用ＧＰＳ建立首级控制网。实践证明，几十公里内的点位误差只有２ｃｍ左右，即达到了常规方法难以实现的精度，又大大提高了工效。５．３

防浪堤坝施工／航道疏浚

可以使用ＧＰＳ技术进行防浪堤坝的建筑施工，在江／河／湖／海的水底大规模抛石筑堤的精度提高到几个厘米的水平，大大提高每次抛石的准确性，大

６ＧＰＳ在交通运输中的应用

ＧＰＳ技术在交通运输中的应用越来越广泛，它

在现代交通智能管理、车辆调度指挥、车船等交通工具的导向领航、车辆运行性能的动态监测等诸多方面提供了技术支撑，它有力地推动了交通运输产业的快速发展。６．１

车辆调度指挥管理系统

随着我国车辆日益增多，交通运输的经营管理、各种车辆的调度指挥和安全控制已成为公安、交通领域中的重要问题。过去，用于交通管理的设备主要是无线电通信设备，由调度中心向驾驶员发出调度命令，驾驶员只能根据自己的判断说出车辆所在的大概位置，而在生疏地区或在夜间则无法确认自己的方位甚至迷路。ＧＰＳ定位技术的出现给车辆、船只等交通工具的管理和调度指挥提供了强有力的技术保障。目前，已研制开发出如ＧＰＳ车辆指挥管理系统、车辆全球定位报警系统、警用ＧＰＳ指挥系统等一系列基于ＧＰＳ技术的用于公安、交通及业主对运营车辆、特种车辆、城市公交车辆、风景旅

第３３卷第１期刘美生：全球定位系统及其应用综述（三）———ＧＰＳ的应用

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游区车辆的调度、指挥、报警及综合管理系统。

车辆ＧＰＳ调度指挥管理系统是以ＧＰＳ定位为核心技术而实现对车辆进行跟踪、监控、调度指挥和管理的。该系统的车载ＧＰＳ接收机对车辆实时定位，驾驶员在随时知道自己具体位置的同时并将定位信息发向指挥中心；接收指挥中心发来的调度指挥命令，将自身的实时位置如经度、纬度、速度、航向及调度命令显示或发出语音，一旦出现紧急情况，司机启动报警装置并在指挥中心立即显示出报警车辆的出事地点等信息。指挥中心通过电子地图及时掌握移动车辆的实时位置、报警出事地点及相关信息，发出决策指挥命令，实现对移动车辆的调度指挥。为了提高定位精度，需采用差分ＧＰＳ技术。每辆车上都应接收差分若采用常规差分ＧＰＳ技术，

改正数，这样会造成系统过于复杂，所以实际应用中多采用系统相对简单的集中差分技术。即每一辆车都装有ＧＰＳ接收机和通信电台，监控中心设在坐标精确已知的基准站；基准点上安置ＧＰＳ接收机、通信电台、计算机、电子地图、大屏幕显示器等设时间备。工作时，各车辆上的ＧＰＳ接收机将其位置、和车辆编号等信息一同发送到监控中心。监控中心将车辆位置与基准站ＧＰＳ定位结果进行差分求出差分改正数，对车辆位置进行改正，计算出精确坐标，显示在大屏幕上。这种集中差分技术可以简化不必考虑差车载设备。车载部分只接收ＧＰＳ信号，

分的接收。由监控中心集中进行差分处理、显示、记录和存储。集中差分技术不但能够实时地提供车辆精确的位置、速度、航向等信息，还可对车辆上的各种传感器（如计程仪、车速仪、磁罗盘等）进行校准。集成了ＧＰＳ定位技术、通信技术、电子地图及计算机技术的车辆调度指挥管理系统可以实现车辆监控和交通管理等许多功能，这些功能包括：

车辆监控与跟踪：利用ＧＰＳ和电子地图可以跟踪显示出行车辆的实时位置，可以随目标移动，可实现多窗口、多车辆、多屏幕同时监控与跟踪；尤其能对重要车辆和货物进行监控和跟踪运输。

调度指挥与管理：指挥中心可以监控区域内车辆运行状况，随时与被跟踪目标对话并实施调度指挥和管理。车队调度员可以调度行驶中的车辆，调整车辆运行方案。在我国有几百万辆特种车辆，有关部门正在制定规划，其中要求首先对运钞车、救护车、工程抢险车、消防车、警务车、迎宾车等特种专用车引导和调度指挥。辆实现ＧＰＳ技术的全程监控、

信息查询：利用ＧＰＳ和ＧＩＳ建立道路数据库，用户能够在电子地图上对道路准确位置、路面状况、道路实时通行状况、沿路设施，以及旅游景点、宾馆、医院等进行查询，并在电子地图上显示查询结果或位置。

紧急救助：当遇有险情或发生事故时，报警系时间等信息统可及时将车载ＧＰＳ确定的事发位置、

发送给指挥中心，指挥中心根据电子地图显示的求助信息，设计最优救助方案，对其实施紧急救助。６．２

车辆导航

车辆导航是在ＧＰＳ技术基础上发展起来的新技术，它将成为未来２０年中ＧＰＳ技术应用的最大潜在市场之一，预计到２０１０年，全世界用于车辆导航的总投资额将达到１０００亿美元，卫星导航设备有可能成为汽车的标准配置。在海湾战争中，几乎盟军的所有车辆都配备了车载ＧＰＳ导航系统。６．２．１

普通车载ＧＰＳ导航

车载ＧＰＳ导航是由ＧＰＳ接收设备实时测出车辆所在点的坐标等，驾乘人员将这些实时位置与目的地的坐标等相关信息对照，确定下一步的行进方向、路线，以及速度、时刻等，并按照确定的方案行驶。这属于一般的方向引导性、位置提示性、行进路线辅助性导航。这类导航有两种模式，一是没有统一的控制管理中心，各车的车载ＧＰＳ导航设备自成体系，独立地实施车辆导航，实质上就是配备一套ＧＰＳ定位装置为出行的车辆实时提供准确的位置等行驶状态信息。另一类是若干套车载ＧＰＳ导航系统在同一个ＧＰＳ导航控制管理中心的统一控制管理下运行，较前一类它不但定位精度大幅提高，而且还能与管理中心对话、接受其调度、得到相关帮助，接收最新的交通、天气、出行路线状况等信息。６．２．２

车载电子地图自动导航系统

美国车手斯格特曾驾驶着一辆配备了基于ＧＰＳ技术的“永不迷路”的车载导航设备。他把自己要去的地址输进设备后，屏幕上立即显示出一幅彩色地图，其中那条明亮的绿色路线就是他前往目的地的最佳路线，一个三角图形表示汽车，一个黄色粗箭头指示汽车行驶的方向，提示声音不时地告诉他：“下一个路口向左转…”。这就是利用ＧＰＳ接收机的实时定位技术和ＧＩＳ组成（ＧＰＳ＋ＧＩＳ）的车载电子地图自动导航系统。该系统所提供的出行路线电子地图既可自动成图，也能人工设计。自动成图是系统根据ＧＰＳ测定的车辆现在位置和目标位置（人工输

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中国测试技术２００７年１月

入）自动设计最佳行驶路线，包括最快捷的路线、最易行驶的路线，彩图显示并引导司机到达目的地。人工线路设计是由驾驶者根据目的地，结合个人爱好选择最佳的行车路线、速度及起点、终点与途经点等，自动建立线路图并显示。若采用ＧＰＳ差分定位＋矢量电子地图并实施双向通讯方式时，既能实现车辆自动导航，又可将移动中的车辆的ＧＰＳ定位信息实时地传送到指挥中心，构成象６．１所述的车辆调度指挥管理系统。

车载电子地图自动导航系统由ＧＰＳ、ＩＮＳ（自律导航）、ＧＩＳ、矢量电子地图及控制系统组成。该系统可以实现车船等运动载体在电子地图中的实时跟踪显示、最优路径设计及导引、地图检索、语音提示、矢量图分层显示及缩放显示等。当汽车行驶到隧道、楼群等遮掩物中而捕获不到ＧＰＳ卫星信号时，系统可自动进入自律导航系统，此时由车速传感器测出汽车速度并算出行进的里程，再由陀螺传感器测出前进的方向，利用卡尔曼滤波算法综合处理ＧＰＳ、速度计和陀螺仪的数据来进行车辆的实时定位，再采用地图匹配技术对汽车实际行驶路线与电子地图之间的误差进行实时匹配并自动修正。６．３

车辆运行状态测试

利用ＧＰＳ技术可对汽车的行驶轨迹、速度等表征汽车行驶状态的运动参量进行实时、动态测试，实现对汽车运动稳定性能的定量测试和客观评价，将为汽车运行监控和交通安全管理提供技术支持。（详细内容另文介绍）

７．１．２引导飞机作业

依靠ＧＰＳ合理布设航线，准确引导飞机或农机

具进行播种、施肥、喷药等田间作业或夜间作业，可以大大降低生产成本，例如可使飞机在作业时减少横向／转弯重叠，既节省化肥和农药用量，又避免用量过多而影响作物生长；利用ＧＰＳ在夜间喷施更具有独特优越性，因为夜间蒸发和漂移损失小，植物气孔是张开的，容易吸收，提高了除草和施肥效率。据国外报可降低成本５０％。导，利用ＧＰＳ引导飞机农耕作业，７．１．３

作物产量监测与精准农业管理

在联合收割机上配置ＧＰＳ作物产量监视系统，例如在收割玉米时，系统同时记录下玉米产量和对应位置，就形成了每块土地的产量分布图；通过综合分析可找出影响作物产量的相关因素，从而实施因地制宜的耕种方案。在作物生长管理中可用ＧＰＳ结合遥感技术，绘制作物生长的色彩变化图及土壤品质示意图，以实现作物生长的科学调控。ＧＰＳ技术不仅可用于大平原、大面积的机械化种植，也适合小面积，特别是在格网种植的区域使用配备了ＧＰＳ技术的小型耕作设备，能够适应科学种田和农业精准管理的需要。７．２

在林业方面的应用

在森林中进行常规测量相当困难，而ＧＰＳ定位技术可以在确定林区位置、计算可采伐木材面积、确定原始森林区域、森林火灾周边勘测、寻找水源、绘制精确的森林分布图等方面发挥独特的作用。美国林业局用经纬仪和ＧＰＳ对同一块林区进行面积测量，结果两者仅差０．０３％，这一实验证明了装备有ＧＰＳ接收系统的直升飞机沿林区周边飞行就可以对林区的面积进行符合精度要求的快速测量。ＧＰＳ技术用于森林防火已取得较好成效，美国研制的飞沿火灾周边飞行机＋ＧＰＳ接收机＋热红外观测系统，

并记录定位信息，可快速确定火灾的准确位置和绘制周边地形图，为采取灭火措施提供准确的数据。７．３ＧＰＳ技术与ＧＩＳ资源的合成应用

ＧＩＳ地理信息系统（ＧｅｏｇｒａｐｈｙＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ是研究地理空间信息分布的科学技术，比如Ｓｙｓｔｅｍ）

一个城市，它的地理空间中充满着庞大的各式各样的信息：名胜古迹、旅游路线、文化娱乐设施、交通信息、宾馆、医院、学校、研究机构、政府办事机构等等。利用现代技术把这些信息建成数据库，就构成了数码城市的要素，它既为二维数码城市中的地图和三维数码城市模型提供大量信息，又可与实现数

７ＧＰＳ在人们生产、生活中的应用

ＧＰＳ不仅越来越多地在工农业生产中发挥重要

作用，而且已逐步进入人们的日常生活中。７．１

在农业领域中的应用

土利用ＧＰＳ结合ＲＳ和ＧＩＳ进行农作物产量、壤成分和性质分布监测，引导飞机进行合理施肥、播种和喷洒农药，走“精准农业”之路是现代农业的发展趋势。７．１．１

土壤养分调查与合理施肥

给在农田中进行土壤采样的装置配置ＧＰＳ接收机和带地理信息软件的计算机。采样时ＧＰＳ接收机精确测定采样点的位置并加标注，测出各点土壤养分和土质状况，绘出土壤养分分布图和土质状况图。在此基础上计算机设计合理的施肥种类和数量，配置有ＧＰＳ接收机的喷施系统精确地给田地的各部位按需施肥。

第３３卷第１期刘美生：全球定位系统及其应用综述（三）———ＧＰＳ的应用

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码城市３Ｄ重视的虚拟实现技术（ＶＲ）结合而构成ＧＩＳ的发展与应用受到地理空间了数码城市。但是，点位的定位在机动性、随时随地性、实用性等因素的制约。而ＧＰＳ虽然可快速给出某一目标的准确位置，但无法提供该点周围环境的地理属性和与其相关的空间信息。如果把ＧＰＳ与ＧＩＳ结合，就可形成具有重要实用价值的数码城市系统。目前，国内外都在研发并已被实际应用。７．４

旅游及野外考察

到风景秀丽的地区去旅游，到原始大森林、雪山峡谷或者大沙漠地区去野外考察，ＧＰＳ接收机是最忠实的向导。可以随时提供出行者所在位置及行走速度和方向，使你不会迷路。目前小巧轻便的携带式ＧＰＳ接收机已经问世，最轻的才６０多克，它不仅便于出行者的携带，而且已用于大象、老虎、熊猫等动物的野外生存跟踪、牛羊牧群的监控和相关信息采集。７．５

海事应用

ＧＰＳ可应用于船只导航、海洋捕捞、海运跟踪、海上事故搜救、海洋勘探及海属范围划分等许多方面，应该说ＧＰＳ技术在海事应用方面是相当成功的一个应用领域。比如我国的海洋鱼业，经过长年的捕捞，近海的鱼类资源已趋于枯竭，渔民又不愿去深海，因为深海远离陆地，水深浪急，在茫茫深海里找不到方向与位置，有可能不知不觉就进入禁渔区、甚至越过国界，遇险时搜救很困难等等。目前，我国已建成了为渔业生产服务的卫星定位导航监控系统，能随时获知渔船方位，引导鱼船进入深海作业，对遇险船只准确搜救，及时警告越界或进入禁区的渔船等，为海洋捕鱼作业带来了革命性的转变。７．６

ＧＰＳ手机

美国鉴于急难救助的激增，于１９９６年就颁布法令要求移动电话营运者需分阶段完成移动定位的建设，以便能利用移动电话这个日渐普及的通讯工具协助警消与医疗机构强化对公众人身与财产安全的保障。同时，许多有远见的企业家也察觉到移动定位可能成为颇具市场潜力的应用领域。因欧美与日此，人们开始研制基于ＧＰＳ技术的手机，本等国大力投入研发。到九十年代末便推出ＧＰＳ手机产品并开展手机定位服务；它们具有多个并行通道，屏幕地图能精确到街道，可实时跟踪所在位置。ＧＩＳ及ＧＰＳ厂商的这一新兴技术吸引了移动通讯、

极大热忱。不过，ＧＰＳ应用在移动定位中仍面临三大难题：必须与天空直视接收、内建ＧＰＳ芯片的耗电

与成本、与手机制式的匹配。７．７

授时

ＧＰＳ卫星不但提供导航定位信号，还提供时间基准。它精确的定位能力是由其高精度的时间测量来实现的。因此，在天文台、通信系统、电视广播系统、电力系统、无线电与时间频率系统、野外作业等所有涉及时间、频率的领域，都可以通过ＧＰＳ进行时间的校准和获取时间信息。

８结束语

ＧＰＳ现实的应用已经使ＧＰＳ技术从专业化领

域走向了大众化的应用范畴，几年前ＧＰＳ设备还像艺术品一样令人望而却步，而现在ＧＰＳ技术已进入人们的日常生活。以ＧＰＳ为核心的卫星导航定位技术应用在中国已经有近２０年的发展历程，正向更高层次、更广阔领域发展。虽然我国有自己的北斗卫星导航系统，但建立北斗更多的意义是具有非常重要的政治意义和战略意义，是这一技术的拥有和在关键时刻不受制于人。所以目前我国的卫星定位导航业务中的９０％仍然是利用ＧＰＳ。ＧＰＳ导航定位技术作为具有自动化、高精度、全天候、全球化的先进测量手段和生产新工具，已经融入到了国防建设和社会发展的各个领域，它已成为国民经济建设的重要支撑技术，是具有较高实用价值的系统工程，是近年来发展的最具有开创意义的高新技术之一，已在测量学和相关领域产生了极其深刻的影响。随着技术的进步，这些设备的功能越来越完善，创新ＧＰＳ技术在人们生产、生活的应用技术将不断涌现，

中的应用将是一个难以用数字预测的广阔天地。尽管目前还有不少人不知道ＧＰＳ是什么，但可以预言，ＧＰＳ将象计算机、移动电话、互联网对我们生活的影响一样，它将在不断的技术进步中改造社会的生产条件，改善人类的生存环境，改变人们的生活方式，推动现代社会不断进步。

参考文献

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（二）———ＧＰＳ［Ｊ］．中［３］刘美生．全球定位系统及其应用综述

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［５］李庆海．卫星大地测量原理［Ｍ］．北京：测绘出版社，１９８９．［６］关惠平．ＧＰＳ相对定位原理与ＤＧＰＳ技术简介［Ｊ］．兰州铁

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