信息跟踪技术

第六节　信息跟踪技术

一、地理信息系统

地理信息系统（geographical information system，GIS）是多种学科交叉的产物，它以地理空间数据为基础，采用地理模型分析方法，适时地提供多种空间和动态的地理信息，是一种为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。其基本功能是将表格型数据（无论它来自数据库、电子表格文件或直接在程序中输入）转换为地理图形显示，然后对显示结果浏览、操作和分析。其显示范围可以从洲际地图到非常详细的街区地图，显示对象包括入口、销售情况、运输线路及其他内容。GIS最大的吸引力是通过地图来表现数据。这是通过把空间要素和相应的属性信息关联起来实现的。但是制作专题地图并没有超出传统的关系数据库的功能范围，把空间要素和属性信息关联起来所能支持的应用还远不止这些。在传统的关系数据库中，各数据域是平等的，它们按照关系规范化理论组织在一起。而在GIS中，空间信息和属性信息是不可分割的整体，它们分别描述地理实体的两面，以地理实体为主线组织在一起。不仅如此，空间信息还包括了空间要素之间的几何关系，因而GIS能够支持传统的关系数据库所不能支持的空间查询和空间分析，这是制订规划和决策的基础。

正是由于GIS具有上述独特的优势，GIS被越来越多的商业领域用来作为一种信息查询和信息分析工具，GIS技术本身也融入了这些商业领域的通用模型（如ARC／INFO的网络分析模块），因而GIS技术在各个商业领域的应用在深度上和广度上不断发展。事实上，凡是涉及地理分布的领域都可以应用GIS技术。完整的GIS物流分析软件集成了车辆路线模型、最短路径模型、网络物流模型、分配集合模型和设施定位模型等。

地理信息系统通常可以分为以下五个部分。

（1）人员 是GIS中最重要的组成部分。开发人员必须定义GIS中被执行的各种任务，开发处理程序。熟练的操作人员通常可以克服GIS软件功能的不足，但是相反的情况就不成立。最好的软件也无法弥补操作人员对GIS的一无所知所带来的副作用。

（2）数据 精确可用的数据可以影响到查询和分析的结果。

（3）硬件 硬件的性能影响到处理速度、使用是否方便及可能的输出方式。

（4）软件 不仅包含GIS软件，还包括各种资料库，绘图、统计、影像处理及其他程序。

（5）过程 GIS要求明确定义，采用一致的方法来生成正确的可验证的结果。

二、全球定位系统

全球定位系统（global positioning system，GPS），又称全球卫星定位系统，是一个中距离圆形轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区（高达98%）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。该系统由美国国防部研制和维护，可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确地确定三维位置、三维运动和时间的需要。该系统包括太空中的24颗GPS卫星；地面上的1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机。最少只需其中3颗卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度；所能连接到的卫星数越多，解码出来的位置就越精确。

该系统由美国政府于20世纪70年代开始进行研制并于1994年全面建成。使用者只需拥有GPS接收机即可使用该服务，无需另外付费。GPS信号分为民用的标准定位服务（standard positioning service，SPS）和军规的精确定位服务（pre-cise positioning service，PPS）两类。由于SPS无须任何授权即可任意使用，原本美国因为担心敌对国家或组织会利用SPS对美国发动攻击，故在民用信号中人为地加入选择性误差selective availability政策（即SA政策）以降低其精确度，使其最终定位精确度在100m左右；军规的精度在10m以下。2000年以后，美国政府决定取消对民用信号的干扰。因此，现在民用GPS也可以达到10m左右的定位精度。

GPS系统拥有多种优点：全天候，不受任何天气的影响；全球覆盖（高达98%）；高精度三维定速、定时；快速、省时、高效率；应用广泛、多功能；可移动定位；不同于双星定位系统，使用过程中接收机不需要发出任何信号，增加了隐蔽性，提高了其军事应用效能。

GPS系统主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分组成。

（一）空间星座部分

GPS卫星星座由24颗卫星组成，其中21颗为工作卫星，3颗为备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上，即每个轨道面上有4颗卫星。卫星轨道面相对于地球赤道面的轨道倾角为55°，各轨道平面的升交点的赤经相差60°，一个轨道平面上的卫星比两边相邻轨道平面上的相应卫星升交角距超前30°。这种布局的目的是保证在全球任何地点、任何时刻至少可以观测到4颗卫星。

GPS卫星是由洛克菲尔国际公司空间部研制的，卫星重774kg，使用寿命为7年。卫星采用蜂窝结构，主体呈柱形，直径为1．5m。卫星两侧装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板（block I），全长5．33m，接受日光面积为7．2m₂。对日定向系统控制两翼电池帆板旋转，使板面始终对准太阳，为卫星不断提供电力，并给三组54kC镍镉电池充电，以保证卫星在地球阴影部分能正常工作。在星体底部装有12个单元的多波束定向天线，能发射张角大约为30°的两个L波段（波长分别为19cm和24cm）的信号。在星体的两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网的通信。此外，卫星还装有姿态控制系统和轨道控制系统，以便使卫星保持在适当的高度和角度，准确对准卫星的可见地面。

（二）地面监控部分

地面监控部分主要由1个主控站（master control station，MCS）、4个地面天线站（ground antenna）和6个监测站（monitor station）组成。

主控站位于美国科罗拉多州的谢里佛尔空军基地，是整个地面监控系统的管理中心和技术中心。另外，还有一个位于马里兰州盖茨堡的备用主控站，在发生紧急情况时启用。

地面天线站也即注入站，目前有4个，分别位于南太平洋马绍尔群岛的瓜加林环礁、大西洋上英国属地阿森松岛、英属印度洋领地的迪戈加西亚岛和美国本土科罗拉多州的科罗拉多斯普林斯。注入站的作用是把主控站计算得到的卫星星历、导航电文等信息注入相应的卫星。

注入站同时也是监测站，另外还有位于夏威夷和卡纳维拉尔角的两处监测站，故监测站目前有6个。监测站的主要作用是采集GPS卫星数据和当地的环境数据，然后发送给主控站。

（三）用户设备部分

用户设备主要是GPS接收机，它的主要作用是从GPS卫星接收信号，并利用传来的信息计算用户的三维位置及时间。

三、其他定位系统

我国的北斗卫星导航定位系统，是我国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是继美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）之后的第三个成熟的卫星导航系统。截至2012年2月，北斗卫星导航定位系统目前已成功发射了11颗卫星，计划于2020年扩充为全球卫星导航系统。

欧盟1999年初正式推出“伽利略”计划，部署新一代定位卫星系统。该定位卫星系统由27颗运行卫星和3颗预备卫星组成，可以覆盖全球，位置精度达几米，亦可与美国的GPS系统兼容，总投资为35亿欧元。目前已经发射三颗实验卫星，2010年开始提供服务。

全球卫星导航系统国际委员会是联合国的一个非正式机构。其目的是促进与民用卫星定位、导航、正时和增值服务有关的问题及各种全球卫星导航系统的兼容性和互通性问题的合作和发展。