Applications of GPS technology in the land transportation system

Abstract

The global positioning system (GPS) allows the accurate positioning of an object using satellite signals. There are a lot of applications of this technology in many scientific fields all over the world. In recent years, the rapid increase in the development of the geographic information system technology (GIS) has led to the development of GPS/GIS applications. Therefore, the geometric and geographic information obtained by the use of GPS can be introduced to GIS database and thus thematic maps can be produced. In the framework of this paper, a short overview of applications in the area of transportation in Greece and abroad is presented. Emphasis is placed on an ongoing application in railway mapping, through the presentation of its pilot phase in Greece. The use of modern technologies, the problems identified and the results produced are presented and discussed.

Keywords: GPS; GIS; Transportation; Rail; AVL

1. Introduction

The technology of global positioning system (GPS) was firstly developed in the rsquo;70s, primarily for military purposes (cooperation between the US Departments of Transport and Navy). The system is also known as NAV STAR (navigation satellite timing and ranging system). As this technology has been developing, the number of applications has been increased for military and civilian users. It must be mentioned at this point that, on the 1st of May of the year 2000 the selective availability (SA) of GPS which had been into force since 1990 terminated . The SA was a method to reduce the ac- curacy provided by the system to the civilian users.

Through the use of GPS technology, conentional positioning methods have been replaced. Nowadays GPS is the tool for a large number of kinematic and other applications. Twenty-four (24) satellites are in orbit, of which twenty to twenty-one (20–21) are in operation. Four (4) from these 21 satellites are visible at any time from any station on earth. The vertical and horizontal position for each specific station is feasible to be obtained in the form of X , Y , Z coordinates (position vector). The information concerning the speed (dx=dt, dy=dt, dz=dt) of a vehicle, airplane, ship etc. is also available all over the world, at any time, and under all weather conditions.

The twenty-four (24) GPS satellites orbit at six (6) levels (having a shape of an ellipse) which are symmetrical. In each level there are three (3) satellites which are in orbit at a period of 12 hours, at a height of about 20,000 km above the earth surface and at a distance of 120° between them. The angle with the equator is equal to 55°. The orbits are in such a way so that, any two satellites which are in orbit in adjacent levels have a distance of 40° between them. Using this set out, there are at least four satellites available, at a height of 15–75°, for the horizontal and vertical positioning of a station at any time. The average operation life of the satellites is six (6) years and there has been an effort to increase this time to seven and a half or eight (7.5–8) years in the near future. The satellites use solar batteries as their energy source for their high technology systems. They can also adjust their position to their orbit by using special fuelled motors. Within the equipment of each satellite, four high precision chronometers are included. A GPS consists of three discrete parts as it is shown in the following Fig. 1. These three parts are: the satellites in orbit, the ground control stations, and the users (satellite receivers found in land, air, sea).

Fig. 1. The parts of the GPS.

Three kinds of measurement can be carried out using GPS technology as follows: measurement of pseudo-ranges, phase measurement, Doppler measurement. In general, the main methods for the determination of a position vector of a station at a specific reference system using GPS technology are two: the static and the kinematic method. In the first method, the receiver in the observation station is fixed, the observations last from a few minutes until many hours, while the processing of the observation data is made using post time analysis and adjustment. In the second method, the receiver is on the vehicle, ship or airplane, and the data processing can be made either after the observation period or in real time (at the time of observation).

The methods for the determination of the position vector of a station can be characterized as lsquo;lsquo;absolutersquo;rsquo; or lsquo;lsquo;relativersquo;rsquo; methods. In the first case, observations and calculations are referred to a geocentric reference system. In the second case, the position of the receiver (station) is determined in relation to another receiver (station). There are also some other techniques, which are in practice alterations of the two classic methods, static and kinematic .

An example of these techniques is the differential positioning method and the semi-kinematic determination method. In the differential positioning method, the position of the fixed receiver (station) is known, and the differences in the coordinates for any new station referred to the fixed station are calculated. In the semikinematic determination method, the measurement of the mobile receiver in every new station are more than one, and they last a few minutes (usually 10–20 minutes). The data elaboration is made after the observations, in a post processing stage using the computer software which supports the use of the receiver.

It is worth mentioning that, in the differential procedure there is an extra communication be- tween the reference and the mobile receiver through a terrestrial radio-navigation system (very high frequency––VHF system) in order to transfer different kind of corrections (e.g., meteorological etc.) from the reference to the mobile stations. This results to a considerable improvement of the de-

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GPS技术在陆运系统中的应用

摘要

全球定位系统（GPS）允许使用卫星信号对物体进行精确定位。这项技术在全世界许多科学领域都有大量的应用。近年来，地理信息系统（GIS）技术的飞速发展，带动了GPS/GIS应用的发展。因此，利用GPS获取的几何和地理信息可以导入GIS数据库，从而生成专题地图。在本文的框架内，简要概述了希腊和国外在交通领域的应用。通过介绍在希腊的试验阶段，重点放在正在进行的铁路测绘应用上。介绍和讨论了现代技术的使用、发现的问题和产生的结果。

关键词 GPS；地理信息系统；运输；钢轨；AVL公司

1.简介

全球定位系统（GPS）技术最初是在70年代发展起来的，主要用于军事目的（美国运输部和海军部之间的合作）。该系统也被称为导航星（导航卫星定时和测距系统）。随着这项技术的不断发展，军事和民用用户的应用数量不断增加。在这一点上必须提到的是，在2000年5月1日，自1990年起生效的GPS选择性可用性（SA）被终止。SA是一种降低系统向民用用户提供准确度的方法。

通过使用GPS技术，传统的定位方法已被取代。如今，GPS已成为大量运动学和其它应用的工具。二十四卫星在轨运行，其中20-21颗正在运行。这21颗卫星中的四颗在地球上任何一个站都可以随时看到。每个特定台站的垂直和水平位置可以通过X、Y、Z坐标（位置矢量）的形式获得。关于车辆、飞机、轮船等的速度（dx=dt，dy=dt，dz=dt）的信息也可以在世界各地的任何时间和任何天气条件下获得。

二十四颗全球定位系统卫星的轨道是六点对称的水平面（椭圆形状）。在每一层有三颗卫星，它们在轨道上运行12小时，高度约为地球表面以上20000公里，距离120公里，在他们之间这个与赤道的夹角等于55°，轨道以这样的方式，任何两颗在相邻轨道上的卫星的距离都是40°，在他们之间利用这套装置，至少有四颗卫星可用，高度为15–75°, 用于在任何时间对站点进行水平和垂直定位。

卫星的平均使用寿命是6年在不久的将来，这一时间将增加到七年半或八年。卫星使用太阳能电池作为其高科技系统的能源。它们还可以通过使用特殊的燃料发动机来调整自己的位置，使其进入轨道。在每颗卫星的设备中，包括四个高精度的计时器。GPS由三部分组成，如下图1所示。这三部分是：在轨卫星、地面控制站和用户（陆地、空中和海上的卫星接收器）。

图1.GPS的组成部分

利用GPS技术可以进行三种测量：伪距测量、相位测量、多普勒测量。一般来说，利用GPS技术确定特定参考系中站点位置矢量的主要方法有两种：静态法和运动学法。在第一种方法中，观测站的接收器是固定的，观测从几分钟持续到几个小时，而观测数据的处理是通过事后分析和调整来完成的。在第二种方法中，接收器在车辆、船舶或飞机上，并且数据处理可以在观测周期之后或实时（在观测时）进行。

测定测站位置矢量的方法可描述为“绝对”或“相对”方法。在第一种情况下，观测和计算是指地心参考系统。在第二种情况下，相对于另一接收机（站）确定接收机（站）的位置。还有一些其他的技术，在实践中是两个经典方法的改变，静态和运动学。

这些技术的一个例子是差异定位法和半动态测定法。在差分定位法中，已知固定接收器（站）的位置，并计算参考固定站的任何新站的坐标差。在半动态测定法中，每个新台站的车载接收器的测量值都不止一个，而且测量持续几分钟（通常为10-20分钟）。在观测之后，利用支持接收器使用的计算机软件，在后处理阶段对数据进行细化。

值得一提的是，在不同的程序中，参考和移动接收器之间有额外的通信，通过地面无线电导航系统（非常高频–甚高频系统），以便将不同类型的修正（例如气象等）从参考移动站转移。这对位置矢量的去端精度有了很大的提高。不同的程序是目前应用于GPS组合应用的一个更强大的工具，特别是与地理信息系统（GIS）相结合。此外，在取消选择性可用性之后，今天可以实现绝对定位精度优于一米。如今，GPS技术的应用覆盖了广泛的科学领域（如地形、大地测量、水文、摄影测量、交通运输等）。在本文的框架内，介绍和讨论了在土地运输系统领域的应用。必须指出的是，这些应用可分为以下四大类：（a） 车辆流量管理和监控，（b） 运输基础设施的数据收集和绘图，（c） 事件管理和监控，（d） 车辆导航系统。

国外已经为上述每一类开发了大量的应用程序。在希腊，全球定位系统在运输部门的使用相对较少。在这一点上必须提到的是，有许多书籍向工程师提供了有关GPS技术在交通系统，特别是智能交通系统中应用的信息。

2.使用GPS进行车辆流量管理和监控

就车辆流量管理和监测而言，GPS技术的主要应用之一是通过中央监测站（参考站）在城市或郊区进行流量监测。这项技术可应用于急救车、警车、公共交通车辆等，以便随时监控每辆车的位置，并提供有关所有车辆移动的其他有用信息。

这些系统被称为自动车辆定位（AVL）系统。AVL系统并不完全依赖GPS，但它们可能使用其他技术，如信标和无线电发射机，或航位推算系统。然而，基于GPS的系统是目前最常见和最广泛的系统。基于GPS的AVL系统最常见的问题是高层建筑对城市地区峡谷的影响。在过去的5-6年里，欧盟的一些研究项目已经处理了这些问题，并得出了有用的结论。

希腊基于GPS的AVL系统的例子有：雅典市无轨电车运营商的AVL系统，帕特拉斯市城市公共汽车车辆定位自动系统，以及塞萨洛-尼基都市区GPS技术的试点应用。公共交通流量监测的另一个试点应用是为满足塞萨洛尼基公共交通组织（OASTh）的需要而开发的系统。以雅典市的无轨电车运营商为例，试点应用仅限于20辆具有以下功能的车辆：实时定位每辆车（精度为10米）、监控时间表和估计公共汽车站之间的时间。必要的数据被传送到中央控制室进行处理，这样就可以在公共汽车站和车上提供乘客信息。未来的计划包括在二百辆无轨电车的整层以及一百四十辆新车上安装必要的设备。

一年前，整个项目的第一阶段也在雅典开始实施，涉及雅典热力巴士运营商（ETHEL）的295辆公交车。根据雅典公共交通组织（OASA）的计划（OASA是大雅典地区的协调机构），到2003年，所有公交车都将配备基于车载单元的GPS。此外，1000到1500之间的一些公交车站将配备实时信息显示器。一个控制中心也在建设中，将扩展到整个埃塞尔区。

以帕特拉斯市为例，1997年在木星计划的框架内进行了试点应用。GPS的成本为800美元，车辆和中心站之间的通信设备费用为2400美元。传感器和GPS设备的并行使用解决了峡谷效应问题。在塞萨洛尼基梅-特罗波利坦地区，在两个工作日内使用两个接收器（精度为9–25 m）进行测量。考虑到道路宽度、建筑物高度等标准，道路网被划分为三个独立的类别。由于试点应用，在大多数情况下，信号可从至少四个卫星获得，而在某些情况下，信号可从八个卫星获得。

必须提到的是，目前在美国有200多家公司设计和/或生产AVL系统。美国有许多基于GPS技术的AVL系统的例子。许多美国FHWA以及美国和加拿大的其他组织提供的报告显示了这些系统的特点和优点。其中给出了向公共交通运营商的管理者提供选择和实施AVL系统所需的信息，以及有关小城市和农村地区先进公共交通系统的10个案例研究的示例。美国每年都会发布一份报告，介绍AVL系统和其他应用程序带来的好处。表1列出了一些使用AVL系统的北美公共交通运营商，其中有几个系统是基于GPS的。

AVL/GPS应用的一个例子是达拉斯地区快速交通（DART）的情况，在这种情况下，这项技术被用来监测交通系统的性能，作为节省时间和能源的手段，因为取消了最后一分钟的交通呼叫。1992年6月，DART安装了一个AVL/GPS系统，以有效监控其流量（由2500辆车组成，其中1430辆为公交车）。

该航班每个工作日的总载客量为175000人，覆盖面积为700平方英里。系统会记录每辆车在网络中的位置3.3分钟，这一时间间隔被认为是监测车辆总流量的令人满意的时间间隔。根据DART的估计，在新系统运行的第一年，纳税人将获得50万至75万美元的收益。

使用GPS/GIS技术对车辆流量进行监控的整个过程在各个阶段都是完全自动化的。这意味着，使用存储在地理信息系统（位于中心站）中的空间信息，可以随时知道每辆车在道路网络中的确切位置。很明显，利用中心站与车载接收器（站）之间的无线通信，信号易于传输，其结果可用于车辆的路由和调度。

以哥本哈根市和赫尔辛基市为例，介绍了GPS/GIS技术在公共交通车辆监控中的应用。哥本哈根-哈根交通（HT）是丹麦主要的公共交通运营商，为哥本哈根市区170万居民提供服务。HT设计了一个名为“愿景2005”的行动计划，以加强公共交通在该地区的作用，其中包括使用GPS/GIS技术进行流量监测。

在赫尔辛基市，公共交通部门于1998年初引入了远程信息处理系统。该系统的目标包括通过信号系统向公共汽车和有轨电车提供优先权、向乘客提供信息以及对车辆进行监控。车辆定位系统由安装在公共汽车和有轨电车（23号公共汽车和4号有轨电车）上的装置组成。车辆定位是基于GPS技术的。AVL系统仅用于通信目的（公共汽车站和有轨电车站的数据通过三个传输站传输）。近几年来，GPS技术还被用于监测丹麦和瑞典的出租车流量，提高了为公众提供的服务水平。

使用GPS技术也是伦敦交通巴士（LTB）的选择之一，以便为其航班安装定位系统（目前LTB有6500辆巴士）。1993年，LTB在18号巴士线上安装了一个定位系统（名为倒计时系统），该系统是目前欧盟运营中最大的系统之一。最后使用的技术是路标微波收发器之一。由于获得了有关公共汽车和交通灯之间距离的精度，因此未选择GPS技术。

根据最近的研究结果，可以通过用其他接收器代替GPS大地测量接收器来降低此类应用的成本，从而降低精度（当这样的情况不影响项目的精度要求时）。它也可以通过使用移动电话技术实现中心站与其他站的地面通信，而不是使用高成本的无线电通信。

3.利用GPS技术绘制交通网络图

如前所述，GPS技术可用于绘制运输网络（如公路、铁路）图，从而降低成本，提高工作速度。国家调查局（NBS）就是这样一个例子。他们于1990年6月建立了一个特殊的差分GPS（DGPS）项目，以评估配备GPS接收器和航位推算装置（DR）的车辆在芬兰道路上行驶时用于收集数字道路位置信息和属性数据的情况。总体结果表明，在速度达到60公里/小时，可获得1–3米的精度。

在希腊，塞萨洛尼基亚里士多德大学土木工程学院开展了一个用GPS绘制道路网地图的试验项目，该项目覆盖了塞萨洛尼基市与雅典市相连的部分国道公路。路网总面积3.5km，其中直段和曲线部分各一个。两个建筑沿着那个特殊的路段（其中一座是一座桥）。所用方法为伪运动学，所用的参考系为1987年希腊地心参考系。试验结果表明：（a）对于小规模调查，伪运动学法是最适合的成本测量方法，（b）对于大规模（如国家公路网）的调查，向列法更适合，因为它意味着成本低、时间少，（c）在这种情况下，联合使用GPS/GIS是适当的方法，（d） GPS/GIS技术可以与视频记录、照片记录等其他技术相结合，在这种情况下，设备和专用车辆需要额外的费用。

另一个应用是利用GPS/GIS技术绘制希腊北部国家和省级公路网图。使用的方法是差分/运动学定位。项目中使用了双频GPS大地测量接收器（TRIMBLE接收器），截止角为20° 两秒重新测定时间。在现场工作期间，在适当的位置建立了三个参考站，以获得每个参考站和移动站之间小于20 km的距离。对现场调查收集的数据进行后处理后获得的精度达到1 m。所用车辆的速度是恒定的，等于40公里/小时。所有收集到的空间信息都被引入了地理信息系统，并以1:10000的比例绘制了地图。

塞萨洛尼基亚里士多德大学（Aristotle University of Thes-saloniki）农村与测量工程学院为希腊铁路组织（OSE）正在进行的一项研究项目涉及利用GPS技术绘制铁路网的地图。具体研究的最终成果是开发一种“工具”，用于绘制和监测OSE网络，并帮助有关基础设施和运营问题的决策过程。该项目分为两个阶段。阶段A包括使用GPS绘制铁路网地图，以及使用GIS技术制作必要的地图。B阶段包括开发适当的软件和创建具有铁路网几何和操作特征的数据库。更具体地说，项目框架将涵盖以下主题：

（a） 利用GPS技术绘制铁路网图和计算线路坐标x；使得精度将在几十厘米的范围内。

（b） 使用地理军事服务的地图以1:5000的比例创建数字地图。数字地图将包括铁路网两侧的一个区域，该区域包含进行OSE所需的信息。地图将包括现有和未来的铁路网。

（c） 绘制比例尺为1:250000至1:500000的数字地图，其中包括整个国家以及铁路网和行政管辖区边界的定线。

（d） 设计必要的数据库，收集空间和描述性数据。

（e） 为系统开发适当的软件（例如，查询、更新、更正、打印等）。

（f） 为OSE的特定操作开发适当的应用程序。

（g） 试点实施该制度。

（h） 设计和制作手册和其他教育材料。人员培训。

该项目的研究区域是塞萨-洛尼基-雅典铁路轴，包括这两个城市的铁路站。线路全长约450公里，占全国铁路网总长度的1/5。在项目的第一阶段，为全国制作了183幅1:5000的数字化地图和12幅1:250000的地图。塞萨洛尼基-雅典铁路轴线也以1:5000的比例数字化，该国的铁路网也以1:250000的比例数字化。

在项目的试验阶段，利用GPS技术绘制了塞萨洛尼基至卡特里尼（双向）的铁路网图。在这一点上必须提到的是，除了在调查期间进行施工的部分以外，特殊轴

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