s技術在智能交通中的應用(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 6個軌道面內，每 8 個軌道面上分布 4顆衛星。衛星軌道面相對赤道面的傾角為 55176。 ，各軌道平面升交點的赤經相差 60176。 ，在相鄰軌道上，衛星的升交距角相差 30176。 。因此，同一觀測站上，每天出現分布圖形相同，每顆衛星每天約有 5 小時在地平線以上，同時位于地平線以上的衛星數目，隨時間和地點而異，最少為 4顆，最多為 11顆。這樣保障了在任何時刻、任何地點至少可以觀測到 4顆衛星。 地面監控部分由均勻分布在美國本土和三大洋的美軍基地上的 5 個監測站、一個主控站和三個信息注入站構成。 主控站 ：收集、處理、本站和監控站收到的全部資料，編算出每顆衛星的星歷和 GPS時間系統，將預測的衛星星歷、鐘差、狀態 數據及大氣傳播改正編制成導航電文傳送給注入站，必要時可調度衛星。 注入站 ：將主控站發來的導航電文注入到相應衛星的存儲器。 監控站： 為主控站提供衛星的觀測數據。 用戶接收機部分是用戶實現 GPS 定位目的必需的部分，它主要由 GPS 接收機硬件和數據處理軟件以及微處理機和終端設備組成。它的任務是接收 GPS 衛星發射的無線電信號，獲得必要的定位信息及觀測量，并經數據處理而完成定位工作。 GPS 接收機的分類 ： （ 1） 按接收機的用途分類：導航型、測地型、授時型、氣象型 。 （ 2）按接收機的載波頻率分類：單頻（ L1）、雙頻（ L L2） 。 （ 3） 按接收機的運動狀態 :靜態、動態 。 （ 4）按接收機通道數分類：多通道、序慣通道、多路多通道 。 （ 5）按接收機工作原理分類：碼相關型、平方型、混合型、干涉型 。 GPS 導航定位 以全天候、高精度、 自動化、高效益 、多功能、操作簡便、應用廣泛等特點著稱。 它不僅可以用于測量、導航，而且還可以進行測速、測時。測速的精度可達 ，測時的精度可達幾十毫微秒。 GPS 定位原理 其具體 定位原理是： GPS 的測量定位原理是通過所觀測到的距離與位置之間的關系，推出所要確定的位置 9 在 WGS84 坐標系中的三維坐標。而對距離的測量是通過測量信號的傳輸時間或測量所收到的 GPS 衛星信號與接收機內部信號的相位差計算出來。它以觀測站至衛星的距離為基本觀測量，而推導出所測量目標的位置。 GPS 衛星信號含有多種定位信息，根據不同要求，可以從中獲得不同的觀測量。為獲得距離觀測量主要有兩種方法 :一是測量衛星發射的測距碼 (P 碼或 C/A 碼 )信號到達用戶接收機的距離，也稱偽距定位法 :一是測量接收機接受到的多普勒頻移的載波信 號與接收機接收到的參考載波信號之間的相位差，這種測量方法叫載波相位法。載波相位測量方法是目前最精確的測量方法，但存在整周不確定、周跳、半周跳等現象，使得數據處理比較麻煩，而且其成本也比較高。因此在車輛定位中一般采用偽距定位法。 GPS 測量中常用的差分模式 有三種：單站 GPS 的差分（ SRDGPS）、局部區域差分 GPS 系統 （ LADGPS）、廣域差分（ WADGPS）。單站 GPS 的差分又可分為：位置差分、偽距差分、載波相位差分。 （ 1） 位置差分原理 ： 這是一種最簡單的差分方法，任何一種 GPS接收機均可改裝和組成這種差 分系統。安裝在基準站上的 GPS 接收機觀測 4 顆衛星后便可進行三維定位，解算出基準站的坐標。由于存在著軌道誤差、時鐘誤差、 SA 影響、大氣影響、多徑效應以及其他誤差，解算出的坐標與基準站的已知坐標是不一樣的， 存在誤差。基準站利用數據鏈將此改正數發送出去，由用戶站接收，并且對其解算的用戶站坐標進行改正。 最后得到的改正后的用戶坐標已消去了基準站和用戶站的共同誤差，例如衛星軌道誤差、 SA 影響、大氣影響等，提高了定位精度。以上先決條件是基準站和用戶站觀測同一組衛星的情況。 位置差分法適用于用戶與基準站間距離在 100km 以內的情況。 （ 2） 偽距差分原理 ： 偽距差分是目前用途最廣的一種技術。幾乎所有的商用差分GPS 接收機均采用這種技術。國際海事 無線電委員會推薦的 RTCM SC104 也采用了這種技術。 在基準站上的接收機要求得它至可見衛星的距離，并將此計算出的距離與含有誤差的測量值 加以比較。利用一個 α β 濾波器將此差值濾波并求出其偏差。然后將所有衛星的測距誤差傳輸 給用戶，用戶利用此測距誤差來改正測量的偽距。最后，用戶利用改正后的偽距來解出本身的位置， 就可消去公共誤差，提高定位精度。與位置差分相似，偽距 差分能將兩站公共誤差抵消，但隨著用戶到基準站距離的增加又 出現了系統誤差，這種誤差用任何差分法都是不能消除的。用戶和基準站之間的距離對精度有決定性影響。 （ 3） 載波相位差分原理 ： 位置差分、偽距差分、 偽距差分相位平滑等技術已成 10 功地用于各種作業中。隨之而來的是更加精密的測量技術 —— 載波相位差分技術。載波相位差分技術又稱為 RTK 技術（ real time kinematic），是建立在實時處理兩個測站的載波相位基礎上的。它能實時提供觀測點的三維坐標，并達到厘米級的高精度。與偽距差分原理相同，由基準站 通過數據鏈實時將其載波觀測量及站坐標信息一同傳送給用戶站。用戶站接收 GPS 衛星的載波相位 與來自基準站的載波相位，并組成相位差分觀測值進行實時處理，能實時給出厘米級的定位結果。實現載波相位差分 GPS 的方法分為兩類：修正法和差分法。前者與偽距差分相同，基準站將載波相位修正量發送給用戶站，以改正其載波相位，然后求解坐標。后者將基準站采集的載波相位發送給 用戶臺進行求差解算坐標。前者為準 RTK 技術，后者為真正的 RTK 技術。 GPS 系統所采用的定位技術也是多種多樣的，目前主要采用的定位技術有以下幾種： （ 1） 基于網 絡的定位技術 通過無線通信網絡獲取到終端到達不同基站信號的時間差，移動臺的環路時延、信號到達角度等，獲取到終端的位置進行定位。這種定位的優點是無需修改移動臺，但這些技術都需要在基站上增加相應的測量設備，代價較高。 （ 2） 輔助 GPS 技術 (AGPS) 移動臺需要接收至少 4個 GPS 衛星的信號，根據這些信息完成定位計算，在輔助 GPS技術中，網絡可以根據移動臺當前所在的小區，確定所在小區上空的 GPS 衛星，將這些信息提供給移動臺。移動臺根據這些信息，更快地完成可用衛星的搜索過程。再把用于計算移動臺 位置的信息傳送給網絡，由網絡計算移動臺的位置。 （ 3） 混合定位技術 一般來說， GPS 技術能夠提供很高的定位精度，但在很多情況下，移動臺不能夠捕獲足夠多的 GPS 衛星。這時候，移動臺可以利用基站的信號補充衛星的不足。這樣在降低一定精度的條件下，提高可用性，實現室內定位。 （ 4） 基于移動臺的 GPS 定位 對于一些需要快速連續定位的業務來說 (例如實時動態汽車導航 )，可能要求每隔幾秒鐘刷新終端位置信息。在這種情況下， AGPS 方式就很難滿足時間上的要求。因此，為了提高連續定位情況下的定位間隔時間，提出了基于 移動臺的 GPS 定位。與 AGPS 不同的是，基于移動臺定位方式下，位置的計算全部由終端自己完成，終端始終處于 GPS 跟蹤 11 狀態，減少了與網絡的交互時間。這種技術需要對現有移動臺進行適當修改，如集成 GPS接收機或能同時接收多個基站信號進行自定位的處理單元。 目前，在大多數的汽車導航系統中常采用這種定位技術。 12 第 3 章 車載導航系統 系統 功能設計 系統概述 車載導航系統是 ITS的重要組成部分，使汽車行動中的“雷達”。該系統是以汽車裝置為終端來接受信息服務的交通信息服務系統。對于廣大 司機而言，車載導航系統為其提供了一個 避免堵車的方便、快捷、安全的出行系統。而對于交通管理者來說，由于車載導航系統所具有的路徑規劃和行程引導作用，就使得交通管理部門可以將整個車流明了的分配在整個道路網上，便于對其進行規劃和管理。 車載導航系統發展至今，主要經歷了三個階段：第一個階段主要利用簡單的傳感器進行簡略測定和汽車定位；第二個階段導航裝置是自動探索和顯示到達目的地的推薦路線；第三個階段是導航裝置 與地面交通管理系統聯機，從而顯示最佳行駛路線。隨著車載導航系統的發展，該系統已經逐漸成為發達國家新的經濟增長點。 系統功能 隨著科學技術的發展，車載導航系統已經展現出十分強大的功能。 （ 1） 導航功能 使用者在車載導航系統上任意標注兩點后，導航系統便會自動根據當前的位置，為車主設計最佳路線。另外，它還有修改功能，假如用戶因為不小心錯過路口，沒有走車載導航系統推薦的最佳線路，車輛位置偏離最佳線路軌跡 200 米以上，車載導航系統會根據車輛所處的新位置，重新為用戶設計一條回到主航線路線，或是為用戶設計一條從性位置到終點的最佳線路。 （ 2） 轉向語音提示功能 車輛只要遇到前方路口或者轉彎，車載語音系統提示用戶 轉向等語音提示。這樣可以避免車主走彎路。它能夠提供全程語音提示，駕車者無需觀察起顯示界面就能實現導航的全過程，使得行車更加安全舒適 。 （ 3） 增加興趣點功能 13 由于中國大部分城市都處于建設階段，隨時隨地都有可能冒出新的建筑物，由此，電子地圖的更新也成為眾多 駕駛 者關心的問題。因此遇到一些電子地圖上沒有的目標點，只要感興趣或者認為有必要，可將該點或者新路線增加到地圖上。這些新增的興趣點，與地圖上原有的任何一個點一樣，均可套用進電子地圖查閱等功能。 （ 4） 定位 功能 GPS 通過接收衛星信號，可以準確地定出其 所在的位置，位置誤差小于 10 米。如果機器里帶地圖的話，就可以在地圖上相應的位置用一個記號標記出來。同時， GPS 還可以取代傳統的指南針，顯示方向，取代傳統的高度計，顯示海拔高度等信息。 （ 5） 測速 功能 通過 GPS 對衛星信號的接收計算，可以測算出行駛的具體速度，比一般的里程表準確很多。 （ 6） 顯示航跡 功能 如果去一個陌生的地方，去的時候有人帶路，回來時 忘記了路線 ， GPS 帶有航跡記錄功能，可以記錄下用戶車輛行駛經過的路線，小于 10 米的精度，甚至能顯示兩個車道的區別。回來時，用戶可以啟動它的返程功能，領著順著 來時的路線順利 返回 。 系統總體結構設計 系統 設計 原則 車載導航系統的設計及建立必須滿足以下原則： （ 1） 能夠在電子地圖上按照指定的位置清晰地描繪出需要參考的物標。 道路兩旁的地物及物標在汽車行程中具有參照作用，在一定條件下對司機的駕駛是一種指導作用，因此在導航屏幕的電子地圖上必須對特定的物標具有明確的標注。 （ 2） 能夠同時顯示出多輛汽車在圖上的運行狀況。 駕駛者在行駛過程中最懼怕交通堵塞，交通情況的好壞直接影響到汽車的 行駛 速度以及駕駛者的人身安全，所以在導航儀器上必須同時盡量顯示多 輛汽車的運行狀況 ，這對駕駛者的安全以及快捷的出行起到極其重要的作用。 （ 3） 能夠快速地調用自己所存儲的車輛運行數據。 所存儲的車輛運行數據起著極為重要的記憶功能，是對已行駛路線的記憶，是對駕 14 駛者的回程以及歷史行程的存儲，所以應滿足快速調用的要求。 系統 總體設計 目前車載導航系統主要分為兩種：一種是僅僅基于汽車行駛位置和路網地理分布的路線導航，也就是基于道路網結構中的最短路徑或最優路徑實施導航，稱為靜態路徑導航；另一類則是加入了實時的路段交通信息，根據動態的交通分配理論來預測短期的路段旅行 時間，從而以路段動態旅行時間 最短路徑進行導航，即動態路徑導航。 圖：車載導航系統總體設計 （靜態路徑導航） 如圖所示，該設計是由汽車內部所裝置的 GPS 來獲取汽車的行駛位置，然后和已經描繪完成的數字電子地圖進行地圖匹配，從而獲得汽車的行駛路徑，并且存儲汽車的行駛路線，但是，由于汽車在隧道以及建筑物密集區中行駛時， GPS 容易丟失信號，使導航中斷，所以在系統中一般配合車速傳感器和陀螺器為主的航位推算系統來保證導航系統的正常運行。 位置 數據 路徑數據 導航數據 模擬數據 方向傳感器 距離傳感器 測量數據 GPS 接收機 GPS/DR 組合 地圖匹 配 地圖數據庫 位 置 輸 出 GPS數據 路徑規劃 導航主系統 導航信息提示 模擬駕駛 15 圖：車載導航系統總體設計（動態路徑導航） 如圖所示，該系統可以借助移動 GIS（ MobelGIS） 得以實現，當駕 駛員根據路徑規劃功能選擇出最佳路徑并且按照此條路徑行車時，系統在電子地圖上實時地顯示車輛位置信息，并且綜合車輛位置信息、規劃路徑、電子地圖三者進行實