1.1 全球卫星导航系统简介
目前，全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System, abbr. GNSS），包括美国的全球定位系统（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Position System，abbr. GPS）、俄罗斯的全球导航卫星系统（GLObal NAvigation Satellite System，abbr. NASS）和中国的北斗卫星导航定位系统。
国际移动卫星组织(原名国际海事卫星组织，abbr. INMARSAT)是提供全球通信的国际间合作组织，该组织可通过所属的通信卫星，提供全球移动通信服务和卫星导航定位服务。
DORIS 为地基系统，其建立的主要目的用于美、法合作的海洋计划TOPEX/POSEIDON 的精密定轨，也用于绝对与相对定位以及监测地壳运动。德国的PRARE(Precise Range And Range-rateEquipment)为一种精密双向，双频(S/X 带)卫星跟踪系统，它可以测定时钟参数,轨道根数,站坐标和地球自转参数。
GPS 和GLONASS 系统主要是为军事应用而建立的卫星导航系统。西欧欧洲空间局（ESA）正在建立的NAVSAT 导航卫星系统，则是一种民用的卫星导航系统。NAVSAT 导航卫星系统采用6 颗地球同步卫星（GEO）和12 颗高椭圆轨道卫星（HEO）组成混合卫星星座。12 颗HEO 卫星均匀分布在6 个轨道平面内，6 颗GEO 卫星同处于一个轨道平面内。地面上任何一点任何时间至少可以看到4颗NAVSAT 卫星，达到全天候、实时导航和定位。
日本也在积极筹划建立日本的多功能卫星增强系统(MSAS)。
国际民航组织(ICAO)为了打破一两个国家独霸卫星定位的被动局面，计划组建民用的GNSS，在2000 年以前,建成与完善由GPS+GLONASS+INMARSAT+GAIT+RAIM组成的混合系统。其中GAIT 为地面增强和完好式监视系统，RAIM 为机载独立完善监控系统。混合系统建成之后，ICAO 将允许在某特定空域内，将GNSS 作为单一的导航手段运行。2000 年以后，ICAO 将组建纯民用GNSS 系统，建成后， GNSS 将拥有30 颗卫星作为其第一代全球卫星导航系统，这一系统不仅能提供与GPS 和GLONASS 系统类似的导航定位功能，还能同时具有全球卫星移动通信的能力。这一组合导航系统的开发,全球将形成GPS/GLONASS/GNSS/INMARSAT 等多种卫星定位系统的多元化空间资源环境。这将从根本上改变对单一系统的依赖，使卫星定位技术的所有权，控制权和运营权实行国际化，到那时卫星定位技术才能成为能够使人们完全放心使用的空间定位系统。
欧洲的“伽利略”计划正在筹建伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system），记者从欧盟委员会获悉：欧盟于2004 年12 月10 日正式批准建造伽利略卫星导航系统，首颗轨道卫星有望于2005 年发射升空。整个系统预计将在2008 年投入使用，旨在于空间技术上建立欧洲独 立自主的战略地位[1-3]。
1.1.1 GPS 简介
GPS 是美国从本世纪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。
GPS 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，它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。
地面监控部分包括四个监控站、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。
GPS 的空间部分使用24 颗高度约2.02 万千米的卫星组成卫星星座。21+3 颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11 小时58 分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55 度。GPS 的利用者接收卫星发送的扩频信号，测量电波传播时间求出卫星到接收机天线的距离，利用空间三球相交一点的原理，解算以接收机位置为未知数的方程，从而确切知道接收机的位置，也就是说，只需接收到3 颗卫星的信号，就能确定用户的二维（经度、纬度）位置。GPS 从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，它可以为全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、速度和时间信息，可以满足各种不同用户的需要。在海洋上，它可用于舰船海上协同作战，在海洋交通管制、海洋测量、石油探测、海轮进出港管理等领域提供定位服务；在陆地上，可用于各种车辆、坦克和陆军等的定位；它还可以广泛应用于人们的日常生活和科学研究中，如汽车驾驶、旅游、探险、测绘、勘探考古等方面。GPS 定位系统的建立，给导航和定位技术带来了巨大的变革。
美国政府在进行GPS 设计时，计划提供两种服务。一种为标准定位服务—SPS，利用粗测/捕获码（C/A 码）定位，预计精度约为400m，提供民间用户使用。另一种为精密定位服务——PPS，利用精密码（P 码）定位，精度达到10m，提供给军方和得到特许的用户使用。但在GPS 实验卫星应用阶段，多次实验表明，实际定位精度远高于此值，利用C/A 码定位精度可达到15~40m，利用P码定位精度可达3m。为了维护美国自身利益，美国国防部在GPS 中加入了SA（Selective Availability）政策——选择可用性政策，人为地将误差引入卫星时钟和卫星数据中，降低GPS 的定位精度，以防止未经许可的用户把GPS 用于军事目的。采用SA 政策后的C/A 码定位，水平定位精度为100 米，垂直测量精度为157 米。美国国防部常年对SA 政策进行测量，并根据形势和要求对部分和全部卫星取消SA 政策。SA 政策的引入，在一定程度上限制了GPS 的应用，为了提高定位精度，人们研究和发展出差分GPS 技术——DGPS（Differential GPS）。但是，DGPS 需要建立相应的差分基准站和监测站，造价昂贵。随着GPS 应用的不断发展，GPS 广大用户要求取消SA 政策的呼声越来越高，考虑到庞大的GPS 应用市场，美国政府最终于2000 年5 月1 日取消了SA 政策，这必将促进GPS 定位和导航的应用的进一步发展[4-6]。
GPS 具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。
2000 年以后，以波音公司为首，休斯空间和通信公司、计算机科学公司(CSC)、洛克西德马丁管理与数据系统(M&DS)和雷声公司开始研究开发新一代的全球定位系统——GPS III。GPS III 的结构将基于现有的卫星导航系统，并将开发出具有创新结构的新的GPS。
1.1.2 北斗导航卫星系统
2003 年5 月25 日零时34 分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功地将第三颗“北斗一号”导航定位卫星送入太空[7-10]。前两颗“北斗一号”卫星分别于2000 年10 月31 日和12 月21 日发射升空，运行至今导航定位系统工作稳定，状态良好。这次发射的是导航定位系统的备份星。它与前两颗“北斗一号”工作星组成了完整的卫星导航定位系统，确保全天候、全天时提供卫星导航信息。这标志着我国成为继美国全球卫星定位系统(GPS)和前苏联的全球导航卫星系统(GLONASS)后，在世界上第三个建立了完善的卫星导航系统的国家，该系统的建立对我国国民国防和经济建设将起到积极作用。
我国早在60 年代末就开展了卫星导航系统的研制工作，但由于多种原因而天折。在自行研制“子午仪”定位设备方面起步较晚，以致后来使用的大量设备中，基本上依赖进口。70 年代后期以来，国内开展了探讨适合国情的卫星导航定位系统的体制研究。先后提出过单星、双星、三星和3-5 星的区域性系统方案，以及多星的全球系统的设想，并考虑到导航定位与通信等综合运用问题，但是由于种种原因，这些方案和设想都没能够得到实现。1982 年7 月由美国三位科学家提出并于12 月定名的GEOSTAR 系统，就是这种两颗卫星的主动式卫星定位系统。他们在实施的过程中，由于有更优越的GPS 卫星导航系统的兴起并且发展相当迅速，使GEOSTAR 系统不得不在1991 年9 月撤走资金，导致正在实施中的GEOSTA 及系统宣告失败。而我国的“北斗一号”卫星导航系统正是80 年代提出的“双星快速定位系统”的发展计划。北斗导航系统的方案于1983 年提出，突出持点是构成系统的空间卫星数目少、用户终端设备简单、一切复杂性均集中于地面中心处理站。“北斗一号”卫星定位系统是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统。系统的主要功能是：
1、定时：快速确定用户所在地的地理位置，向用户及主管部门提供导航信息。
2、通讯：用户与用户、用户与中心控制系统间均可实现双向简短数字报文通信。
3、授时：中心控制系统定时播发授时信息，为定时用户提供时延修正值。
“北斗一号”卫星定位系统工作原理“北斗一号”卫星定位系统由两颗地球静止卫星(800E 和1400E)、一颗在轨备份卫星(110.50E)、中心控制系统、标校系统和各类用户机等部分组成。系统的工作过程是：首先由中心控制系统向卫星I 和卫星II 同时发送询问信号，径卫星转发器项服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，径卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用的申请服务内容进行相应的数据处理。 对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：即从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟； 和从中心控制发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，因此由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户出于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。
图1-1 双星定位原理图
“北斗一号”的覆盖范围是北纬5°一55°，东经70°一140°之间的心脏地区，上打下小，最宽处在北纬35°左右。其定位精度为水平精度100 米(1σ)，设立标校站之后为20 米(类似差分状态)。工作频率：2491.75MHz。系统能容纳的用户数为每小时540000 户。
北斗导航系统较之于美国的GPS 具有卫星数量少、投资小、用户设备简单价廉、能实现一定区域的导航定位、通讯等多用途，可满足当前我国陆、海、空运输导航定位的需求。缺点是不能覆盖两极地区，赤道附近定位精度差，只能二维主动式定位，且需提供用户高程数据，不能满足高动态和保密的军事用户要求，用户数量受一定限制。但最重要的是，“北斗一号”导航系统是我国独立自主建立的卫星导航系统，它的研制成功标志着我国打破了美、俄在此领域的垄断地位，解决了中国自主卫星导航系统的有无问题。它是一个成功的、实用的、投资很少的初步起步系统。此外，该系统并不排斥国内民用市场对GPS 的广泛使用。相反，在此基础上还将建立中国的GPS 广域差分系统。可以使受SA 干扰的GPS 民用码接收机的定位精度由百米级修正到数米级，可以更好的促进GPS在民间的利用。
当然，我们也需要认识到，随着我军高技术武器的不断发展，对导航定位的信息支持要求越来越高。北斗导航系统仅是我国近期满足四化建设需要的自主简易导航系统，因此，我们必须在发展“北斗一号”的基础上，借鉴国外GPS、GLONASS 的成功经验，开发我国二代卫星导航系统，我们有理由相信，在不久的将来，具备先进性、适用性、军民两用、抗干扰性、抗继毁性等特征的，适合我国的国情的“北斗二号”将会展现在大家面前，更加完善的我国卫星导航系统也必将建立。
1.1.3 全球导航卫星系统的应用
谈到全球导航卫星系统的应用，我们不得不以美国的GPS 为例，因为GPS 已经具有非常广泛的应用，中国和世界上很多其他国家一样，正在利用美国的GPS 服务于各行各业。
GPS 具有全天候、高精度、自动化、高效益等特点。应用GPS 信号可以进行海、空和陆地的导航，如运载工具的导航和管制，军队的高精尖武器提供精确制导，为战场的士兵提供准确的战场环境资料；大地测量和工程测量的精密定位，时间的传递和速度的测量；交通运输、气象、石油、海洋、资源勘探、森林防火、灾害预报、通信、公安以及其他特殊行业提供高效的导航定位服务等。对于测绘领域，GPS 卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球性的 地球动态参数；用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段。用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置，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、全球环境遥感监测的技术革命[6, 11-15]。
许多商业和政府机构也使用GPS 设备来跟踪他们的车辆位置，这一般需要借助无线通信技术。一些GPS 接收器集成了收音机、无线电话和移动数据终端来适应车队管理的需要。
今后GPS 将像目前汽车、无线电通信等一样形成产业化。美国已将广域增强系统WAAS（即将广域差分系统中的发送修正数据链转为地球同步卫星发送，使地球同步卫星也具有C/A 码功能，形成广域GPS 增强系统）计划发展成国际标准。我国目前也有一些单位生产车载GPS 终端系统。为发展我国的GPS 产业，武汉已经成立中国GPS 工程中心。
最近几年，越来越多普通消费者买得起的GPS 接收器出现了。随着技术的进步，这些设备的功能越来越完善，几乎每月都有新的功能出现，但价格在下跌，尺寸也越来越小了。消费类GPS 手持机的价格从几百元到几千元不等，它们基本上都有12 个并行通道和数据功能。有些甚至能与便携电脑相连，可以上传和下载GPS 信息，并且使用精确到街道级的地图软件，可以在PC 的屏幕上实时跟踪你的位置或自动导航。
GPS 信号接收机在人们生活中的应用，是一个难以用数字预测的广阔天地，手表式的GPS 接收机，将成为旅游者的忠实导游。尽管目前大多数人还不知道什麽是GPS，但有人预言，GPS 将改变我们的生活方式。今后，所有运载器，都将依赖于GPS。GPS 就象移动电话、传真机、计算机互联网对我们生活的影响一样，人们日常生活将离不开它。
卫星定位系统无论在军事还是民用都将产生不可估量的战略、经济、科技、民生等价值，同时也是一个国家主权实力的象征，一个国家国防和综合实力的重要标志，这也正是为什么在继美国拥有自己的GPS、俄罗斯拥有自己的GLONASS 之后，中国独立地建立了自己的北斗双星导航定位系统，而欧洲也正式实施“伽利略”计划。
1.2 地理信息系统简介
地理信息系统（Geographical Information System, abbr. GIS）是集计算机科学、地理地质学、测绘科学、环境科学、空间科学、信息科学和管理科学等为一体的多学科结合的新兴边缘科学[16]。它是在计算机硬件、软件系统的支持下，采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面（包括大气层在内）与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统。它是融合计算机图形和数据库与一体，用来存储和处理空间信息的高新技术，它把地理位置和相关属性有关地结合起来，根据用户地需要将空间信息及其属性信息准确真实、图文并茂地输出给用户，满足城市建设、企业管理、居民生活对空间信息的变化，借助其独有的空间分析功能和可视化表达功能，进行各种辅助决策。
地理信息系统具有一下三个方面的特征：
1)具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空间性和动态性；
2)以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域空间分析、多要素综合分析和动态预测能力，产生高层次的地理信息；
3)由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务。
地理信息系统是从20 世纪60 年代开始逐渐发展起来的新技术。由于地球是人们赖以生存和发展的基础，所以GIS 是与人类的生存、发展和进步密切关联的一门信息科学技术，受到人们愈来愈多的重视，其应用已涉及到各行各业。特别是近几年来，由于全球信息化的飞速发展、信息高速公路、“数字地球”[17]、“数字城市”、“虚拟社区”理论的提出，GIS 产业受到了空前的关注，越来越多的人投身到GIS 的学习浪潮中。
20 世纪80 年代是GIS 普及和推广应用的阶段。由于计算机的发展，推出了图形工作站和PC微机等性价比大为提高的新一代计算机，计算机和空间信息系统在许多部门广泛应用。计算机网络技术的应用，使地理信息数据的长距离传输时效得到极大的提高。GIS 系统软件和应用软件的发展，使得GIS 的应用从解决基础设施的规划（如道路、输电线）转向更复杂的区域开发和规划，例如土地的农业利用、城市化发展、人口规划与布局等，地理因素成为投资决策中不可缺少的依据。许多国家把GIS 作为有关部门的必备工具投入日常运转。与卫星遥感技术想结合，GIS 开始用于全球性问题研究，例如全球沙漠化、全球可居住区的评价、厄尔尼诺现象及酸雨、核扩散及核废料以及全球变化与全球监测。美国军方制作了全球1:100 万空间数据库DCW，原苏联制作了全球数字调和模型和数字正摄影像。20 世纪80 年代，GIS 软件的研制和开发也取得了很大的成绩，仅1989 年市场上有报价的软件就达70 多个，并且涌现出了一些具有代表性的GIS 商用软件，如ArcInfo, MapInfo, MicroStation, MGE Intergraph, Auto CAD/Arc CAD 等。
我国GIS 的发展虽然较晚，但发展势头迅猛，大体上经历了4 个阶段，即起步（1970－1980 年）、准备（1980－1985 年）、发展（1985－1995 年）、产业化（1996 年以后）阶段。GIS 已在很多部门和领域得到应用，并引起了政府部门的高度重视。从应用方面看，地理信息系统已在电力、土地管理、城市规划、交通、林业、水利、农作物调查、环境保护、自然灾害的监测和评估、军事、运输与导航、公共汽车调度、资源开发、房地产开发、金融、犯罪分析、110 报警系统等方面得到了具体应用[18-31]。国内已有城市测绘地理信息系统或测绘数据库正在运行或建设中。一批地理信息系统软件已研制开发成功（如GeoSTAR, CityStar, MapGis 等），一批高等院校已设立了一些与GIS 有
关的专业或学科，一批专门从事GIS 产业活动的高新技术企业相继成立。此外，还成立了“中国GIS 协会”和“中国GPS 技术应用协会”等组织。
进入21 世纪，随着地理信息产业的建立和数字化产品的普及，GIS 技术已深入到各行各业，成为政府部门进行科学管理、快速决策及人们生活、生产、学习和工作中不可缺少的工具。朱鎔基总理在中共十五界二中全会报告中明确指出地理信息将作为一个产业来加以发展，我国的GIS 正迎来一个阳光明媚的春天。
1.3 智能交通系统简介
20 世纪90 年代初，美国、日本和西欧等竞相投入大量资金和人力，开始大规模地进行道路交通运输智能化的研究和实验，开始时称之为“智能车辆道路系统”（Intelligent Vehicle and Highway Systems,IVHS）,进行道路功能和车辆智能化的研究。随着研究的不断深入，系统功能扩展到道路交通运输全过程及其有关服务部门，发展成为带动整个公路交通运输现代化的“智能交通系统”（Intelligent Transportation Systems，abbr. ITS）。目前，ITS 的发展已经使高科技研究人员与产品成为现代交通工业的重要的新生力量与组成部分。
ITS 是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术等有效地集成，运用于整个地面运输管理体系，而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合运输和管理系统。具体在公路运输及城市交通领域，该系统将汽车、司机、道路及相关的服务部门相互联接起来，并使汽车在道路的运行功能智能化。ITS 主要由6 个高级交通系统构成，分别为：高级交通管理系统、高级出行信息系统、高级车辆控制系统、商业车辆运行系统、车辆自动定位系统及车辆自动识别系统。ITS 通过公共服务系统完成公路与街道的交通监控，为出行者提供交通信息，对可能出现的险情及延误预先提出警告，帮助交通管理部门对车辆进行有效的实时疏导、控制和事故处理，减少交通堵塞和延误，辅助车辆的自动导航，进行公共交通的实时调度和行驶路线的调整，帮助运输部门增加运客率，降低运营成本，提高商业运输效率等。ITS 这些辅助功能使路网上的交通流运行处于最佳状态，改善交通拥挤状况、减少交通阻塞，最大限度的提高路网的通行能力，提高整个公路运输系统的机动性、安全性和生产效率、使公众能够高效的使用公路交通设施和能源。
ITS 是二十一世纪信息时代交通运输的主要方向。
图1-2 智能交通系统示意图
