人造卫星定位系统在桥梁结构的应用.doc

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1、人造卫星定位系统在桥梁结构摘要：香港特别行政区政府路政署最近采用人造卫星定位技术，应用于桥梁结构健康监测系统，借以增强和改进青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥的结构健康监测工作，这人造卫星定位系统（Global Podtioning System or GPS）主要用作量度三座悬吊体系桥梁的桥身和桥塔瞬间位移，和推算其相应的导量（截面中线）位移及各相应主要构件的应力状况。GPS监测系统是一套实时监测系统，它包括：GPS测量仪，接驳站，信息收集总控制站，光纤网络，GPS电脑系统及显示器等。本文主要介绍路政署于奇马管制区内所安装的GPS监测系统，并论述有关GPS信息在桥梁结构健康监测中的应用，如风力效

2、应监测、温度效应监测、交通荷载效应监测和各主要构件的应力监测等。 关键词：人造卫星定位系统 结构健康 监测系统 结构评估 悬吊体系桥梁 一、引言大桥主梁和索塔轴线的空间位置是衡量大桥是否处于正常营运状态的一个重要标志。普遍大桥的结构设计是基于导量位移。任何索塔和主梁轴线偏高于设计轴线，都直接影响大桥的承载能力和构件的内力分布。目前香港的三座悬吊体系桥梁，均设有桥梁结构健康监测系统，简称桥监系统。用以监测大桥在营运期间的结构健康变化，继而进行结构评估。虽然大桥主梁及索塔轴线监测已包括在大桥每年一次的大地测量范围内，可是现存的桥监系统还未能对大桥主梁和索塔轴线作实时的监测。鉴于近年人造卫星定位系统

3、（Global Positioning System or GPS）的实时位移测量精度有显著的提升（垂直面误差约20mm，而水平面差误约10mm），因此香港特别行政区政府路政署引进GPS技术用作监测大桥主梁及索塔轴线，提供全桥整体的度量位移。路政署在拟定桥梁结构健康检测和评估项目的过程中，亦曾考虑其他测量技术方案，如运用红外光线和激光科技，可是这些技术均需要一定视野清晰度，故在现阶段仍未适合在恶劣天气下操作。二、 GPS监测范围和目的1,2在上述三座悬吊体系桥梁上本已设置传统的传感器来测量桥身的位移状况。包括在桥身两端的位移仪用作量度桥身的纵向位移，及高精度加速仪用作量度桥身的垂直和横向加速度

4、。高频率的加速数据经过二次积分运算后只能提供局部振幅的导量，未能准确地运算桥身整体的摆动幅度，这是因为桥身整体的惯性偏移速度较缓慢，加速仪不能准确测量；另一方面，在监测桥身固温度变化而产生的相应位移时，虽然另设有一组创新设计的水平仪系统来直接量度桥身的垂直位移，但由于这系统是利用液压原理运作，鉴于液体的惯性限制，系统只能以每秒一数据的采样率来提供位移信息，未能录取瞬间的振幅，错过了一些较大的瞬间振幅，因而数据难免有误差。以往路政署曾考虑应用GPS技术在悬吊体系桥梁监测上。经过近年在青马大桥上安排的多次实地测试为验证及改进精度，最后决定在桥监系统中增设备有RTK实时动态测量功能的GPS监测系统，

5、直接量度桥梁的独立三维实时位移，增强对桥梁结构健康监测的可靠度。现时GPS系统安装工程已接近完成阶段、数据收集会在竣工后立即开始。这GPS监测系统主要用作度量三座悬吊体系桥梁的桥身和桥塔的瞬时位移，以及推算其相应的导量（截面中线）位移及各相应主要构件的应力状态。三、GPS监测系统简介31GPS监测系统概要GPS监测系统是一套实时监测系统，主要由四组系统组成，通过固定光纤纲络传输数据而进行运作。这四个系统分别是：（l）GPS测量系统；（2）信息收集系统；（3）信息处理和分析系统；（4）系统运作和控制系统。其硬件包括：GPS测量仪（其中包括GPS天线和GPS接收器），接驳站，信息收集总控制站，光纤

6、网络，GPS电脑系统，显示屏幕等。GPS接收器备有24个卫星跟踪通道，以双频（LI及L2）同步跟踪测量12颗GPS卫星的伪距与全波长的载波相位；GPS监测系统以划一的高速度采样率，利用27组的GPS测量仪同步进行定点位移测量，以每秒10次的点位更新率提供独立三维RTK实时的点位解算结果，高精度点位输出的时间延迟小于0.05秒，令到GPS信号的同步接收、RTK厘米级点位数据输出，光纤网络传输、数据及图像处理及桥梁位移图像屏幕显示之过程都在2秒内完成，提供实时位移监测。另方面，GPS监测系统可以在无人值守的情况下进行24小时作业，配合可调校的数据备份系统，将贮存的GPS位移数据与其他现存的桥梁监测

7、数据加以整合，再作多样化的结构分析和评估；利用大桥主梁及索塔轴线的整体变化周期和幅度资料，及选定时段的桥梁整体位移变化资料，来改进桥梁结构健康检测和评估工作。2GPS定点测量GPS测量仪的定点测量位置主要安装在桥身的两旁和桥塔的顶端，在三座桥上总共有27个定点测量位置。GPS测量仪的选位配合现存位于跨中的加速仪。在青马大桥桥面上共装有四对GPS测量仪，主悬索缆有一对。另外在汲水门大桥桥面及订九大桥桥面上分别装有一对及两对GPS测量仪。除了提供每秒10个的定点实时测量，GPS监测系统更能运算桥身主轴线的三维瞬间位移，和桥身扭转振动的时程数据。同样，从塔顶的点位解算结果，GPS监测系统能运算出汀九

8、大桥单脚塔顶的位移，和另外两座桥之双脚塔顶的个别位移。经数据及图像处理后，信息屏幕可显示全桥实时摆动的活动图像。现时路政署采用GPS接收器的定位延迟误差为0.03秒，突破早期GPS定位数据与实际点位不能完全一致的难题，这技术可应用于速度不均的运动状态，足够应付高速度实时位移监测的基本要求。GPS接收器采用抗电磁干扰金属外壳密闭封装，并加上振动隔离装置，进一步减除振动操作环境对GPS设备的影响，加强其抗震性能。在桥上的GPS定点测量位置均采用精密微带天线，为减低对人造卫星信号接收的障碍，所有天线的安装高度须维持水平15度以上的无屏障朝天范围，及避免频繁的双层和高身车辆在使用慢线行车道时形成的障碍

9、。位于贮物大楼房顶的基准站则采用扼流圈环状天线，进一步减少多路径效应对定位测量的影响，确保不断发送至定点测量站的差分改正信息准确无误。基本上GPS测量仪在出厂后毋须定期校对，从而减省养护工作。3GPS信息传输系统GPS监测系统是一组不停运作的实时监测系统，当悬吊体系桥梁遇上恶劣天气和运作环境时，GPS监测系统所得的数据更为宝贵，故此对数据传输的稳定性和可靠性都有较高要求。GPS信息传输系统采用了高效率和高稳定性的光纤网络。由于光纤不受电磁波干扰，在恶劣作业环境下，如雷暴、高压电流的电磁场影响、强风等，光纤通讯网络仍能维持高水平的数据传输质素和速度，先进的光纤收发仪器更能侦测光纤网络信息的中断并

10、发出警号，让维修人员即时知道通讯网络出现问题的位置，确保系统工作效率。信息收集总控制站设于青衣行政大楼，在每座桥上均设有一组网络接驳站，用以汇集各处GPS定位测量站的数据传输分支网络。联接总控制站与接驳站的光纤网络使用单模光纤，最长距离约3km；而联接定位测量站与接驳站的分支光纤网络则使用多模光纤，最长距离约l.3km。每组GPS测量仪需要三条非同步串列传输管道（Async Serial Channel）操作，这三条管道分别用作资料收集、差分改正信息传送及遥距监控，而每条管道传输速度达 19 200Baud。光纤传输速度能力高，一条多模光纤已能取代多条传统的铜蕊资料传输电线。GPS信号从多模光

11、纤传送至网络接驳站后，即被汇集成更高频信号，由更高质素的单模光纤传输至信息收集总控制站，使原本需要百余条钢资料传输电线的传统通讯网络简化为每座桥只需一条单模光纤的光纤通讯网络，大大改进了网络的操作效率和养护维修工作。4GPS信息处理的运作从27个GPS定点测量仪输出的GPS大地坐标经纬数据，分别以每秒10个的采样率透过光纤网络信息收集系统同步传送至信息处理和分析系统。信息处理和分析系统安装于青衣行政大楼的桥梁监察室内，由两台电脑工作站组成：（1）第一台为运作工作站（GPS-OWS），用作信息和图像处理，以活动图像实时显示初步的桥身和塔顶三轴向位移动态，及运算桥身扭转振动的幅度，同时以时程数据形

12、式显示各定点的度量位移，GPS一OWS亦负责系统运作和控制，用作监察GPS测量仪和光纤通讯网络的运作状况，当系统出现问题或位移数超出预设极值时，这系统会发出警号和红色灯号，提醒系统管理员。（2）第二台为分析工作站（GPS-AWS），将经过初步处理和分析的信息进行结构分析和评估，并用作进阶图像处理和执行图输入蹦出工作。这两组电脑工作站均与现存的桥监系统充脑系统联系在一起，供数据整台之用。表1及表2列出了这两台工作站的主要硬件和操作软件，在需要的情况下，GPS-AWS操作系统作为后备工作站以维持正常运作。四、桥架结构侵康检测和评估的应用1,2GPS监测系统为桥监系统中的一个新增设施，其主要作用为直

13、接测量三座悬吊体系桥梁的桥身和桥塔的瞬间度量位移，并推算其截面中线相应的导量位移，继而再配合其他结构分析软件来评估各相应主要构件的应力状况。目前桥监系统对大桥结构的评估有三大方面，分别为承载能力、营运状态和耐久能力。承载能力是有关大桥结构或构件的极限强度、稳定性能等，其评估目的是要找出大桥结构的实际安全储备，以避免桥梁发生灾难性的损毁。营运状态则与大桥结构或其构件在日常荷载下的变形。裂缝、振动等有关，其评估结果有助于安排合适的定期养护维修，而这类评估亦较为重要。耐久能力的评估则专注于大桥的损伤及其成因以及其对材料物理特性的影响。GPS监测系统对大桥整体结构的位移监测，可更直接改进桥监系统的一般

14、检测和评估工作，例如：（1）报告大桥整体结构的位移从而反映其工作环境和荷载的变化；（2）进一步分析运算主要构件的实际内力分布，例如主悬索缆、纵向主梁等；（3）验证不寻常荷载记录，例如台风、地震、超重交通荷载或被车船撞击事故等；（4）从而推算大桥主要构件有否损坏或累积性的损坏；（5）推算大桥的承载能力及论证设计施工假设和参数的有效性；（6）为大桥营运和维修决策者提供大桥超载的警告信息。五、桥梁整体性营运状态监测【1，2】1风力效应监测大桥设计中所进行的抗风能力分析和风洞测试，是基于一所离开大桥桥址较远的气象站所收集到的风结构资料。由于桥址和气象站所处的位置有高度上的和地形上的差别，再加上悬吊体系

15、桥梁对风振有较大的反应，因此测量大桥桥址的风结构和论证大桥的抗风设计假设和参数的有效性，成为大桥抗风振监测的主要部分。配合桥监系统的风速、风向监测，利用从GPS监测系统得出的桥身、塔顶、主悬索缆的三轴向位移资料，可对大桥进行风力效应监测及结构的抗风振验算复核；测量特定风速的持续周期，用以检测桥梁的涡激共振的平均持续周期。另外，亦会与在桥身中同步测量的加速仪数据互相验证，确定大桥结构的抗风振的效应。 2温度效应监测由于温度变化是与太阳辐射强度、材料热能散发率、环境温度及风速风向等因素有关，因此大桥的温度参数的极值不能从个别因素去推论。监测大桥环境温度和桥梁结构上温度的分布状况，可用作推算大桥的有

16、效桥梁温度和差别温度的极值，此为大桥温度荷载监测的主要部分。GPS监测系统长时间监测大桥整体结构的位移变化，可引证因环境温度而引发的日夜和季节性的位移变化周期，例如主悬索缆的垂直位移。桥身的纵向、横向及垂直位移，与相应的塔顶的横向及垂直位移等，再与桥监系统的结构有效温度和差别温度的极值互相验证，增强大桥整体温度荷载监测的可靠性。3交通荷载效应监测对一般大跨度桥梁而言，交通挤塞是交通（车辆）荷载的主要设计考虑因素，而大桥的交通荷载长度（Loaded Lengths）设计是基于：（1）每天交通挤塞形成的次数；（2）交通挤塞发生的位置，持续时间和车辆的分布模式；（3）交通挤塞时的交通流量等假设。测量

17、和论证交通荷载设计假设和参数的有效性，是大桥交通荷载监测的主要项目。从GPS监测系统得出的桥身、塔顶、主悬索缆的三轴向位移资料，可与桥监系统的交通荷载及分布状况的监测资料互相验证，协助进一步制定桥梁结构的各级应力阶段，并用作大桥主要构件的疲劳估算。4铁路荷载效应监测对青马大桥和汲水门大桥而言，铁路机车的荷载亦成为另一主要的设计考虑因素。青马大桥和汲水门大桥的铁路路轨承台是由纵向工字钢梁承托的，铁路机车荷载从纵向工字钢梁传到大桥桥身的加劲梁构件，再分布到其内的横向框架上。由于桥监系统中没有传感器能直接测量铁路机车在大桥上所产生的荷载，因此，只能通过安装在大桥中跨的纵向工字钢梁上的应变仪，进行铁路

18、荷载的监测，绘制相应的感应线来推算单一机车车盘的荷载，再进一步推算整列车的荷载。同样地，GPS监测系统得出的桥身、塔顶住悬索缆的三轴向位移资料，可作进一步验证结构应力与位移的相互关系系数。5大桥钢索索力的监测大桥的钢索索力状态是衡量大桥是否处于正常运作状态的一个重要标志。利用GPS监测系统的青马大桥主悬索缆得出的三轴向位移资料，运用有关的素力公式去推算钢索承受的拉力，定期监测钢索索力的状况，并进一步分析桥身和主悬索缆的应力分布相互关系。6大桥主要构件应力监测大桥的结构设计普遍上是基于导量位移，任何索塔和主梁轴线偏离于设计轴线，都会影向大桥的承载能力和构件的内力分布，结构评估工作先从GPS监测系

19、统得出的桥身截面中线度量位移，将其输入其模拟桥身等效刚度的鱼骨结构分析电脑模型，藉矩阵运算，得出全桥整体的内力分布；再利用局部的结构分析模型来模拟桥身的主要构件，再推算出主要构件的个别应力状况。在恒载和交通荷载作用下，大桥主梁与各构件有着不同的内力分布，通过桥监系统对主要构件部位进行的应力监测，整台GPS位移数据对相应构件的应力推算，不仅能多方面验证各构件的应力和位移相互关系，从而为评估大桥的承载能力、营运状态及耐久能力提供更有力的依据；此外还能通过监测应力或位移的变异来侦查大桥结构有否损坏或潜在损坏的状态。 六、结论近年人造卫星定位系统提供的实时位移测量精度有显著的提升，将此测量技术应用于直

20、接量度桥梁整体的三维位移，直接监测大桥主跨梁及索塔轴线的位移变化，配合结构分析模型来模拟桥身主要构件的内力状况，可增强桥梁结构健康监测和评估的可靠度，并侦查大桥结构有否潜在损坏的危机，提高养护维修工作的效率和效果。一、专业车载GPS导航仪方案问：专业车载GPS导航仪是什么？有什么特点？专业车载GPS导航仪是专门用于车载导航的机器，大小和PDA掌上电脑一样，主要用于导航，内置正版的专业导航软件（如灵图、城际通、凯立德等），一般安装直流平板陶瓷天线，接受GPS信号能力强大，搜星速度快，可以实现快速开机导航。由于整个机器都是用于导航的，所以比PDA、手机的GPS导航更流畅，很少出现死机、顿机等情况，

21、搜索目的地也快很多。（相当于专业数码相机和手机自带的拍照功能的差别，虽然手机也有300万像素的拍照功能，但毕竟不是专业的相机），同时还有 mp3播放/mp4播放/图片浏览的功能。问：都有那些主流专业导航仪？答：主流导航仪有朗视通、奥可视、城际通、任我游、新科等品牌。这些品牌的主流产品，常州帕博GPS卫星导航总汇都有现货供应。我们推荐国内各大GPS 专业论坛所推荐的“朗视通”。理由如下：1、内置灵图5地图，灵图公司是最大的GPS导航软件地图公司，刚刚获得2.4亿元的风险投资，灵图5更是目前性能最好、地图最新最全的导航软件，也是灵图5的第一个定制公司。同时您也可以选择内置正版城际通地图的版本。2、

22、在采用最新的sirf三代芯片的同时，采用了直流平板陶瓷天线，让接受GPS信号的能力达到最强。这样，在贴了比较厚的膜的车内，也能有十分好的接收性能。不用添加外置在车外的天线。3、由于专门用于导航，搜星速度快。开机28秒就可以搜索到卫星，开始定位导航。不会出现汽车已经发动，开了5分钟后才能导航的情况。4、导航声音大。一般的pda/手机的外放声音都不是很大，尤其是在行驶的车内，或者是在城市内，总感觉语音导航的声音不是很大。有些被迫使用耳机来听导航声音。朗视通专门的针对车载导航的设计，采用大功率扬声器，让导航声音满足在嘈杂的城市内的需求。5、mp3/mp4功能，都采用专业级的模块，音质、画面一流。是一

23、个很好的车载娱乐终端。6、标配1G 金士顿行货卡和读卡器，方便和电脑联通，可以使用别人的灵图5航迹进行导航。7、3.5” TFT 液晶显示屏幕，比手机的屏幕大，有利于导航。二、GPS一体机方案问：GPS一体机是什么，有什么特点？答：一体机就是PDA具备GPS功能，有的甚至自带正版地图，买回来就可以用。问：都有那些主流的一体机？答：PDA带GPS的一体机的主流机型是神达P350, 自带512M内存，PDA掌上电脑功能也十分强大，windows moblie 5.0最新PDA系统，看电影、处理word/excel文档，装金山词霸；自带车载支架,可手持、可车载。三、手机/掌上电脑 GPS方案选择问：

24、我的手机是否适合配置GPS，什么方案？回答：1、推荐使用蓝牙GPS方案。因为蓝牙GPS是主流GPS设备，通用性强，可以和笔记本、PDA、手机等具有蓝牙功能的设备配合使用。不同档次的，价格在6001000元之间。2、只要你的手机具备蓝牙功能，同时是智能手机（具有操作系统：比如s60系统、ppc系统等），你的手机就具备了使用蓝牙GPS实现导航功能的条件。3、如果是车载导航使用，推荐同时选配PDA/手机两用车架。团购有60元-80左右两款。可以把手机/PDA固定在车上，抬头就可以看到。很酷的感觉。4、 GPS导航地图软件一般在200M以上，而且往往你喜欢装几款软件同时测试。如果你的手机存储卡不够用，

25、可以选配一个大一些的容量的MMC卡、RS MMC卡、SD卡、MINI SD卡。推荐1G容量的。这个容量的价格最合适，而且你还可以存储其他很多自己喜欢的mp3/电影等东西。四、蓝牙GPS的选择问：如何选择蓝牙GPS配合我的手机/PDA？答：现在的蓝牙GPS有20多款，到底选择哪一款？我们通过长期对各款GPS的研究，查看网友的使用心得，和经销商交流保修情况和用户反馈，推荐以下几款供大家根据不同需求选择：我们推荐选择sirf三代芯片的蓝牙GPS，这种GPS具有20个卫星通道，接受效果好。这个芯片就相当于CPU厂家中的intel。具体选择哪一款，要根据个人追求的功能、想要的投入等综合考虑。1、与诺基亚

26、手机搭配，追求性能好，推荐诺基亚的三代芯片GPS LD-3W，2006年6月诺基亚最新产品，全球同步上市，软件算法好，定位准确。诺基亚全国客服服务。2、追求高性能，高品质，有科技感，蓝牙GPS的最高端产品，同时追求时尚小巧，可以选择Holux GPSlim 240 。十分小巧，精致，有质感。sif三代gps芯片，性能特好。 3、追求兼容性，推荐haicom 406BT，sif三代gps芯片，性能好。4、追求性价比高，推荐Holux 236，sif三代gps芯片，性能好。5、想较低投入，就能获得不错的性能的蓝牙GPS，就选择NaviBe 731。也是三代sirf芯片。问：是否需要外接天线？答：s

27、irf三代芯片在绝大部分使用情况下，都不用GPS天线。在贴金属膜的车内，一般也不需要。但是在特殊的情况下，比如天气情况不好、高层建筑物遮挡等情况下，可以购买天线最为备用。信号好的时候，安装天线也可以提高信号强度。五、笔记本方案问：我有一个笔记本，但是笔记本没有蓝牙，什么方案好？答：笔记本没有蓝牙，可以购买USB口的GPS模块，我们提供的USB口GPS接受器都是使用sirf三代芯片，而且价格也较为低廉，但我认为USb口的GPS在通用性方面只能和有USB口的笔记本配合使用，而且还有连接线，使用起来是有点小小的不便。GPS入门术语大全GPS作为野外定位的最佳工具，在户外运动中有广泛的应用，在国内也可

28、以越来越经常地看见有人使用了。GPS不象电视或收音机，打开就能用，它更象一架相机，你需要有一定的知识。 首先大家要弄清使用GPS时常碰到的一些术语：1.坐标(coordinate)有2维、3维两种坐标表示，当GPS能够收到4颗及以上卫星的信号时，它能计算出本地的3微坐标：经度、纬度、高度，若只能收到3颗卫星的信号，它只能计算出2维坐标：精度和纬度，这时它可能还会显示高度数据，但这数据是无效的。大部分GPS不仅能以经/纬度(Lat/Long)的方式，显示坐标，而且还可以用UTM(Universal Transverse Mercator)等坐标系统显示坐标但我们一般还是使用LAT/LONG系统，

29、这主要是由你所使用的地图的坐标系统决定的。坐标的精度在Selective Availability(美国防部为减小GPS精确度而实施的一种措施)打开时，GPS的水平精度在100-50米之间，视接受到卫星信号的多少和强弱而定，若根据GPS的指示，说你已经到达，那么四周看看，应该在大约一个足球场大小的面积内发现你的目标的。在SA关闭时，精度能达到15米左右。高度的精确性由于系统结构的原因，更差些。经纬度的显示方式一般都可以根据自己的爱好选择，一般有”hddd.ddddd”,”hddd*mm.mmm”“，”hddd*mm”ss.s”“(其中的”*”代表”度”，以下同)地球子午线长是39940.67公

30、里，纬度改变一度合110.94公里，一分合1.849公里，一秒合30.8米，赤道圈是40075.36公里，北京地区纬在北纬40度左右，纬度圈长为40075*sin(90-40),此地经度一度合276公里，一分合1.42公里一秒合23.69米，你可以选定某个显示方式，并把各位数字改变一对应地面移动多少米记住，这样能在经纬度和实际里程间建立个大概的对应。大部分GPS都有计算两点距离的功能，可给出两个坐标间的精确距离。高度的显示会有英制和公制两种方式，进GPS的SETUP页面，设置成公制，这样在其他象速度、距离等的显示也都会成公制的了。2.路标(Landmark or Waypoint) GPS内存

31、中保存的一个点的坐标值。在有GPS信号时，按一下”MARK”键，就会把当前点记成一个路标，它有个默认的一般是象”LMK04”之类的名字，你可以修改成一个易认的名字(字母用上下箭头输入)，还可以给它选定一个图标。路标是GPS数据核心，它是构成”路线”(见3)的基础。标记路标是GPS主要功能之一，但是你也可以从地图上读出一个地点的坐标，手工或通过计算机接口输入GPS，成为一个路标。一个路标可以将来用于GOTO功能(见5)的目标，也可以选进一条路线Route，见3.)作为一个支点。一般GPS能记录500个或以上的路标。3.路线(ROUTE) 路线是GPS内存中存储的一组数据，包括一个起点和一个终点的

32、坐标，还可以包括若干中间点的坐标，每两个坐标点之间的线段叫一条”腿”(leg)。常见GPS能存储20条线路，每条线路30条”腿”。各坐标点可以从现有路标中选择，或是手工/计算机输入数值，输入的路点同时做为一个路标(Waypoint/Landmark)保存。实际上一条路线的所有点都是对某个路标的引用，比如你在路标菜单下改变一个路标的名字或坐标，如果某条路线使用了它，你会发现这条线路也发生了同样的变化。可以有一条路线是”活跃”(Activity)的。”活跃”路线的路点是导向(见5)功能的目标。4.前进方向(Heading) GPS没有指北针的功能，静止不动时它是不知道方向的。但是一旦动了起来，它就

33、能知道自己的运动方向。GPS每隔一秒更新一次当前地点信息，每一点的坐标和上一点的坐标一比较，就可以知道前进的方向，请注意这并不是GPS头指的方向，它老人家是不知道自己的脑袋和运动路线是成多少度角的。不同GPS关于前进方向的算法是不同的，基本上是最近若干秒的前进方向，所以除非你已经走了一段并仍然在走直线，否则前进方向是不准确的，尤其是在拐弯的时候你会看到数值在变个不停。方向的是以多少度显示的，这个度数是手表表盘朝上，12点指向北方，顺时针转的角度。有很多GPS还可以用指向罗盘和标尺的方式来显示这个角度。一般同时还显示前进平均速度，也是根据最近一段的位移和时间计算的。5.导向(Bearing) 导

34、向功能在以下条件下起作用：1.)以设定”走向”(GOTO)目标。”走向”目标的设定可以按”GOTO”键，然后从列表中选择一个路标。以后”导向”功能将导向此路标。2.)目前有活跃路线(Activity route)。活跃路线一般在设置-路线菜单下设定。如果目前有活动路线，那么”导向”的点是路线中第一个路点，每到达一个路点后，自动指到下一个路点。在”导向”页面上部都会标有当前导向路点名称(“ROUTE”里的点也是有名称的)。它是根据当前位置，计算出导向目标对你的方向角，以与”前进方向”相同的角度值显示。同时显示离目标的距离等信息。读出导向方向，按此方向前进即可走到目的地。有些GPS把前进方向和导向

35、功能结合起来，只要用GPS的头指向前进方向，就会有一个指针箭头指向前进方向和目标方向的偏角，跟着这个箭头就能找到目标。6.日出日落时间(Sun set/raise time) 大多数GPS能够显示当地的日出、日落时间，这在计划出发/宿营时间时是有用的。这个时间是GPS根据当地经度和日期计算得到的，是指平原地区的日出、日落时间，在山区因为有山脊遮挡，日照时间根据情况要早晚各少半个小时以上。GPS的时间是从卫星信号得到的格林尼制时间，在设置(setup)菜单里可以设置本地的时间偏移，对中国来说，应设+8小时，此值只与时间的显示有关。7.足迹线(Plot trail) GPS每秒更新一次坐标信息，所

36、以可以记载自己的运动轨迹。一般GPS能记录1024个以上足迹点，在一个专用页面上，以可调比例尺显示移动轨迹。足迹点的采样有自动和定时两种方式自动采样由GPS自动决定足迹点的采样方式，一般是只记录方向转折点，长距离直线行走时不记点；定时采样可以规定采样时间间隔，比如30秒、一分钟、5分钟或其他时间，每隔这么长时间记一个足迹点。在足迹线页面上可以清楚地看到自己足迹的水平投影。你可以开始记录、停止记录、设置方式或清空足迹线。”足迹”线上的点都没有名字，不能单独引用，查看其坐标，主要用来画路线图(计算机下载路线?)和”回溯”功能。很多GPS有一种叫做”回溯”(Trace back)的功能，使用此功能时

37、，它会把足迹线转化为一条”路线”(ROUTE)，路点的选择是由GPS内部程序完成的一般是选用足迹线上大的转折点。同时，把此路线激活为活动路线，用户即可按导向功能原路返回。要注意的是回溯功能一般会把回溯路线放进某一默认路线(比如route0)中，看你GPS的说明书，使用前要先检查此线路是否已有数据，若有，要先用拷贝功能复制到另一条空线路中去，以免覆盖。回溯路线上的各路点用系统默认的临时名字如”T001”之类，有的GPS定第二条回溯路线时会重用这些名字，这时即使你已经把旧的路线做了拷贝，由于路点引用的名字被重用了，所以路线也会改变，不是原来那条回溯路线了。请查看你GPS的使用说明书，并试用以明确你

38、的情况。有必要的话，对于需要长期保存的TraceBack路线，要拷贝到空闲路线，并重命名所有路点名字。GPS原理及应用提起Gps我们中间有些人可能对这个名词比较陌生，提起伊拉克战争大家应该都比较熟悉。2003年3月20日，伊拉克战争爆发。大批轰炸机、战斗机猛扑向伊拉克首都巴格达，用炸弹准确地将一座建筑彻底摧毁，行动代号：“斩首行动”；4月，一架B-1B“枪骑兵”轰炸机临时接到任务，用炸弹摧毁了另一座建筑。他们的目标都是一个人：萨达姆.侯赛因，他们所使用的炸弹都是一种：联合攻击炸弹(JDAM)，这些炸弹之所以都能够精确的打击目标，是因为他们都是通过卫星定位来实现定位，提供这种定位服务的正是由24

39、颗美国卫星组成的全球定位系统-GPS。GPS是英文GLOBAL POSITIONING SYSTEM 的缩写。原名为“导航星”(NAVSTAR),是美国国防部于1973年11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。1994年全面建成，历时20年，耗资300亿美元。GPS全球定位系统是一个无线电空间定位系统,它利用导航卫星和地面站为全球提供全天候高精度连续实时的三维坐标(纬度，经度,海拔)三维速度和定位信息,地球表面上任何地点均可以用于定位和导航.GPS系统包括三大部分：空间部分GPS卫星星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备

40、部分GPS信号接收机。空间部分GPS卫星星座GPS空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座，其中由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。 24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度， 即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度， 一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP）。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。地面控制部分地面监控系统地面

41、监控部分包括四个监控间、一个上行注入站和一个主控站。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。它对地面监控部实行全面控制。主控站主要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到卫星。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。用户设备部分GPS信号接收机GPS接收机可接收

42、到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机

43、本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值。按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收

44、机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机。如：某品牌车载终端技术参数（1） 电源：12VDC，300mA（待机状态下典型值）； 24VDC，150mA（待机状态下典型值），省电模式下小

45、于33mA。（2） 电源抗反接特性：28V（3） 尺寸：170mm 110mm 55mm（4） 重量：0.5kg（5） 数字信号传输指标： 传输方式：GPRS 传输速率：9600bps 传输频段：900 MHz /1800 MHz GSM通信模组：SONY-ERICSSON 工业级模组 GR47 使用频段：900MHz/1800 MHz 输出功率：2W 电流消耗：发射：150mA 平均 空闲：35mA 平均工作温度：-2060支持GPRS功能GPS性能指标 接收板结构：美国SIRF 车载级模组 12通道 C/A码 L1波段 定位精度：25米（无SA）在差分下达到10米以内 最大加速度：4g 最

46、大速度：545米/秒 热启动时间：8秒 典型重俘获时间：1秒 天线：有源微带扁平天线 接收板电源要求：25mA 5VDC. 工作温度：-4085（7） 工作温度：-2060 （8） 储存温度：-4085 （9） 相对湿度：93 %GPS不仅用于导弹、飞船的导航定位，更是广泛用于飞机、汽车、船舶的导航定位，公安、银行、医疗、消防等用它建立监控、报警、救援系统，企业用它建立现代物流管理系统，农业、林业、环保、资源调查、物理勘探、电信等都离不开导航定位，特别是随着卫星导航接收机的集成微型化，出现各种融通信、计算机、GPS于一体的个人信息终端，使卫星导航技术从专业应用走向大众应用，成为继通信、互联网之

47、后的IT第三个新的增长点。以GPS为代表的卫星导航定位应用产业越来越吸引众多人的关注。有关专家预测，到十五末期，我国的卫星导航定位应用市场的总产值将超过100亿元，导航定位运营服务产值超过30亿元。卫星导航定位产业在国内是一个具有巨大发展空间的朝阳产业。以上讲的是原理，下面我们再来讲GPS系统在实际应用中是如何实现？GPS系统只是一个单一的定位系统，需要结合GSM等通讯网络系统来实现定位信息的传递。GSM（Global System for Mobile Communications环球移动通讯系统），是一个开放、不断演变改进的系统。这个系统最强的优点之一在于拥有国际漫游的功能，消费者可以凭一个号码，在全球超过159个国家不受阻各地接受同等质量的电话服务。GSM标准将会继续演变改进，与无线、卫星和移动系统配合下提供大幅增多的服务，包括高速多媒体数据服务、为同步使用该项服务而设的内置支援，以及将互联网与固网完美结合。传统的定位信息是靠短信息SM方式来传递，现在又出现了一种新的