（交通信息工程及控制专业论文）基于GPSGPRS的公交信息系统设计.pdf

韭塞銮适太堂亟堂僮i 幺塞生塞擅墨 中文摘要 摘要： 随着经济的不断发展，城市交通拥堵的状况不断加剧，智能交通系统( i t s ) 作为一种解决交通拥堵问题的全新方法，在国内外迅速发展起来。车载监控系统 是i t s 的重要组成部分，它可以实时、准确的掌握车辆的运行状况、道路的拥挤 状况，及时进行对车辆的调度，避免交通堵塞，确保车辆和道路处于健康的工作 状态，对它的研究具有很大的经济效益和社会效益。 本文首先分析了现有的车载监控系统的设计原则及工作原理。目前车载监控系 统的无线传输部分大多采用g s m 通信系统，通过g s m 承载的数据通信业务，实际应 用的传输时延不小于6 秒，难以满足系统实时性较高的需求。继g s m 后出现的g p r s 通信技术采用了分组交换、最高传输速率达1 7 1 2 k b p s 、通信费用低，较g s m 通信 系统中的电路交换、传输速率慢、资源利用率低、通信费用高等缺点，g p r s 通信 技术优势明显。因此采用g p r s 通信技术来替代g s m 无线数据传输部分成为车载监 控系统的发展方向。本文通过对g p s 卫星定位理论、卫星数据的处理分析与研究， 提出了基于指数平滑的处理方法和载波相位平滑处理方法，大大提高了信息的精 度。本文以g p s 卫星定位系统为基础，以a 刚嵌入式系统作为硬件平台，以g p r s 无线通信技术为依托，建立了一套公交信息系统。系统采用了w i ns o c k e t 进行通 信，解决g p r s 通信网络和i n t e r n e t 网络融合与连接的问题，同时提出的子网分配 方案解决了监控终端分布问题。 关键词：g p s ；g p r s ；车辆监控；指数平滑；a 跚 分类号：t n 9 2 a b s t r a c t a b s l 限a c t 晰也n 地d e v e l o p m e mo fe c o m i c ，t l 地c o n d 撕o no fc n y 砌cb 1 0 c k b o m 船m o r e 觚dm o ma 艇掣l v 砷c d ，器an e wm c t h o do f l v i n gm e 由例陆cb l o c k c a j l c di t s ，d e v e l o p sq l l i c “yi l la c o u n n y 1 km o n i t o rs ) r s t 咖f o rc 甜i st h em o s t 蛔斌a n t p a r t “t b e r r s ，f b f i t c a n r e a i l y 嫩s t e r 妇咖o f 姗血g 咄跚m p t l y 缸da c c u m ：t c l yt h ec 叩d m o f t h er o a db l o c i 【 锄dm 黝g e t h e 邝枷血l gc 甜sp r o m p yt o a v o i d t h e 锄cb 1 0 c i 【，柚d m a k e t l l ec a 踏a n dr o a d s i n w e l l w o r k j n gc o n d i t i o n 喜o t h c 站a 袖o f i t s c a n m a k e 臼e m e n d o u s 孤d b m e 丘c o f s o c i e t y 觚d e c o n 砌c t h i sp a p e r 锄a l y st h ed e s i 鲈i l l g 趾dw ( r i ( i i l g 硼n c i p l eo fc x i s t i n gm o i l i t o rs y s t e l n f o rc 村f i r s t l y 丘o mt l l e m 砌t o rs y s t e mf l o fc 盯w ec 髓f i n dt t l 砒m o s tt h ew i r e l e s s 缸舡啪i s s i o ns y s t c mo f 血e m o n i t o rs y s t e mf b rc 缸u s e1 h eg s mc o m m u n i c a t i s y s t c m t h eb u s i 鹏s s 讹c 咖疵训o n l y o nn 蟛g s mw h o d e l a yo ft r a 郴i i l i s s i c 觚b el e s st h a ns i 】【c o n d s 觚t i l a l l 弘i t 啪n o t 鲥s 匆t h er c q l l i r e n 圮n to f t h es y 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趾m i p f o 嘲崦p r e c i 幽1h i 捌y 位b a s i so fg p s 丘x 耐p o s i t i 蚰s y 贻n ，a 肼 锄b e d d o ds v s t c m 舡dt t l et e c t 】i l i c a lo fg p r s 妇l e s sc o m m l l n i c a t i ，w ec a ne s t a _ b i i s h an e ws e to fp u b l i c 蛐ci n f 0 如搬虹蛐s y s t e l n t h i ss y s 觚w 黯t l l e 晰n 以e t t c c b i l o l o g yt 0c o m m l l i l i c a t c ，聆l v et h ep r o b l e mo fc o 咖i n l l n i c a t i o nn e tj o i n ，a n du 辩 t h es u 岫d i s 岫b 砸o nt dr e s o l v et h e 曲l e mo fd i s 耐b 删o no f m o i l i t o rt e 蛐i n a l k e y w o r d s ：g p s ；0 p r s ；m o i l i t o rf o rc 盯；i n d 懿锄o o m n c s s ；删 c l a s s n o ：t n 9 2 致谢 本论文的工作是在我的导师张凡教授的悉心指导下完成的，张凡教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来张凡 老师对我的关心和指导。 张三同、盛殉华、戴胜华教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学 习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向张三同、盛殉华、戴胜华老 师表示衷心的谢意。 程荫杭教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，史岩、刘彦挺、张海涛、孟一飞、王巍、樊 湄筑、柳艳红等同学对我论文中的理论研究工作给予了热情帮助，在此向他们表 达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 研究的背景和意义 1 绪论 当今世界各国的大城市无不存在着交通拥堵问题。以我国为例，1 9 8 0 _ 2 0 0 3 年 期间，车辆数每年以3 7 的速度上升，但是同期道路建设里程的增长数却仅为蹋， 在城市交通的高峰时期，5 4 的车辆处于拥堵状态。由于交通拥堵，人们每天耗费 在上下班的时间比平时平均多了1 5 小时。交通拥堵同时导致物流的延误，增加 了运输成本。2 0 0 8 年第2 9 届奥运会将在首都北京举行，届时来自世界各地的友人 将齐聚北京，交通作为北京展现给世人的一个窗口，将承受的巨大的压力和考验。 要想在不大规模扩张路网规模的前提下，提高交通路网的通行能力，就必须利用 先进的科技手段来提高交通通行的效率。 智能交通是将先进的信息技术、数据通信传输技术、电子控制技术、传感器 技术、自控控制理论、运筹学、人工智能以及计算机处理技术等有效地综合运用 于交通运输、服务控制和车辆制造，从而建立起一种在大范围内、全方位发挥作 用的实时、准确、高效的交通综合管理系统。智能交通系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，i t s ) 就是以缓和道路堵塞和减少交通事故，以提高交 通使用者的方便、舒适为目的，利用交通信息系统、通讯网络、定位系统和智能 化分析与选线的交通系统的总称。它通过传播实时的交通信息使出行者对即将面 对的交通环境有足够的了解，并据此做出正确的选择。该系统主要包括交通管理 系统、车辆自动识别系统、交通运营系统、车辆运行系统、电子收费系统、应急 管理系统、车辆监控和安全系统等，它是高科技和先进通信技术在交通系统中的 综合应用。i t s 能够利用现有的道路设施，减小交通拥堵，加强对车辆的集中管理 和调度。车辆监控系统是i t s 一个重要的组成部分，而g p s 定位技术更是车辆监 控系统的核心技术。因此，研究车辆监控系统的意义重大。 车辆监控系统是i t s 的重要组成部分，而几乎所有的车辆监控系统又都依赖 g p s 定位技术。g p s 定位技术的出现使车辆监控中的实时跟踪成为了可能，通信技 术则在g p s 和数据库之间建立起一座数据通信的桥梁，使得远程监控成为可能， 从而引导车辆避开拥塞路段，提高道路通行能力，缓解交通拥挤和堵塞。 近年来一个有目共睹的事实是与日俱增的公路交通系统的复杂性和拥挤度， 特别是车辆的增长速度已远远高于道路和其他交通设施的增长速度。随着城市交 通日益发展，如何利用现代科技提高车辆的使用效率、降低消耗，建立集监控、 指挥、科学管理、协调运营、安全防范为一体的指挥监控体系，并加强对不可预 见的危险的安全防范能力，成为了迫切解决的问题。公交信息系统的研究与开发 便具有了深远的意义。 1 2 国内外车辆监控系统发展现状 上世纪八十年代后期，西欧、北美和日本等发达国家竞相发展智能交通系统 ( i t s ) ，来减少交通拥堵、增加车辆机动性和路面通行效率、增强安全性、节约能 源以及保护环境。另外一些国家和地区的智能交通系统研究也有相当大的规模， 如澳大利亚、韩国、新加坡、香港等。可以说，全球正在形成一个新的智能交通 系统产业，发展规模和速度惊人。 我国智能交通系统的发展起步较晚。上世纪九十年代以前，主要是在一些大 城市引进城市交通信号控制系统；九十年代以后开始逐步应用g p s 车辆监控调度 系统，走过了一条极其起伏、漫长的发展道路。1 9 9 5 年是我国车辆监控系统的第 一次发展高峰，当时有很多厂家都来抢占这块市场，但是成功的不多。原因有二： 一是市场尚未形成，用户还没有迫切的需求；二是所用的技术尚不完善，基本采 用的模拟电台作为通信方式，商品化程度较低。2 0 0 1 年开始，g p s 车辆监控调度 系统市场又出现了新一轮的快速增长势头。这时的市场逐步趋于成熟，技术上也 有了较大的提高和发展，普遍采用移动通信网的g s m 作为卫星定位信息的传输数 据链。然而，由于g s m 自身协议的限制和费用的限制，难以提供令人满意的效果。 因此，采用g p r s 技术取代g s m 技术，成为目前车辆监控系统的发展趋势。 1 3 本文研究的内容及重点 鉴于现有系统通讯方式的不足，本文提出基于g p r s ( g p r s ，g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e ) 通讯方式的车辆监控系统。应用这种数据业务，可以发挥g p r s 网络永久在线和网络传递信息的实时性以及通信费用是按流量计费而非按时间计 费的特点，有效地解决了长久以来困扰g p s 车辆监控系统在应用中的一些难题。 运用这套全新的车辆监控系统，系统的稳定性、可靠性、实时性得到了很大的提 高，同时也大大地降低了系统的运营费用。本文还将建立监控中心端的信息数据 库，以备随时查询车辆运营状况。全文的结构如下： 第一章介绍研究背景、目的和意义。 第二章对公交信息系统中的车辆定位技术所用到的g p s 技术作详细的介绍， 包括g p s 的组成、原理、定位解算方法、编码、接收机，同时提出指数平滑法并 应用到数据处理当中，还利用载波相位对伪距平滑处理。 2 第三章对公交信息系统中的g p r s 通信技术作详细的介绍，包括g p r s 通信技 术的概念、无线信道的配置、信道编码处理、数据传送过程、主要性能指标等。 第四章对系统的总体结构进行设计，包括车载终端的软硬件设计、g p s g p r s 模块的选型、监控中心的设计、数据的通信等。 第五章对系统中用到的t c p i p 协议进行介绍，并介绍了子网的分配方案。 最后对全文进行的研究工作做了一个总结，并指出不足之处以及需要进一步 开展的研究工作。 2g p s 全球定位系统 g p s 系统是由美国国防部在7 0 年代研制的新型卫星导航系统，它的英文全称 为“g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ”，简称g p s 系统。该系统是以卫星为基础的无 线电导航定位系统，具有全能性( 陆地、海洋、航空、航天) 、全球性、全天候、 连续性和实时性导航、定位和授时功能，它能为各类用户提供精密的三维坐标、 速度和时间，还可以用于情报收集、核爆炸监测、应急通信和确定卫星位置等一 些军事目的。 随着全球定位系统的不断改进，硬件、 地扩展，目前已遍及国民经济的各个部门， 2 1g p s 系统的组成 软件的不断完善，应用领域正在不断 并开始逐步深入到人们的日常生活。 g p s 系统主要由3 部分组成，即空间部分、地面控制部分、用户接收机。其相 应功能如下： 1 、空间部分 g p s 卫星星座的基本参数是：卫星数为2 1 + 3 - 2 4 颗( 其中3 颗为备有) ，卫星 均匀分布在6 个轨道面上，如图2 一l 所示。轨道面的倾角为5 5 度，卫星高度为 2 0 2 0 0 l ( 1 i l ，卫星的运行周期为1 1 小时5 8 分，载波频率为1 5 7 5 4 2 姗z 和1 2 2 7 6 删z 。 任何时间任何地点我们都可以观测到四颗以上的卫星。 一 图2 1 卫星分布图 2 、地面控制部分 地面控制部分负责监控g p s 系统的工作状况，包括主控站、监控站和注入站。 主控站负责收集各监控站送来的跟踪数据，计算卫星的轨道和钟差参数并发送至 各注入站再转发至各卫星。监控站共有5 个，装配有p 码接收机和精密铯钟，对 4 所接收的卫星进行连续的p 码伪距跟踪测量，并将间隔为1 5 秒的观测结果，采 用平滑的方法，每隔1 5 分钟将获得的结果数据传送至主控站。注入站共有3 个， 主要的功能是将主控站发送来的卫星星历和钟差信息每天一次地注入到卫星的存 储器中。 3 、用户接收机 g p s 接收机种类繁多，但基本结构一致，主要分为天线单元和接收单元两部分： 天线单元由接收天线和前置放大器组成，负责对g p s 信号的接收和放大，具有高 增益、低噪声、动态范围大等特点；接收单元由通道部分和计算显示部分组成， 负责对g p s 信号的跟踪、锁定、测量、计算、显示、存储等。 2 2g p s 系统的特点 g p s 定位系统是利用卫星导航的无线电定位系统，它具有以下几个特点： l 、全球及全天候性 g p s 导航卫星距离地面高度为2 0 2 0 0 k m ，卫星数目较多且分布合理，所以地球 上任何地点都可以连续同步地观测到至少4 颗卫星，从而构成全球定位系统。另 外工作波段为l 波段，电波传播受电离层、对流层的影响很少，气象因素及昼夜 的影响也不大，因此构成全天候连续的实时导航与定位。 2 、定位精度高 一个导航定位系统的重要性能指标是定位精度。目前g p s 系统单点实时定位 精度可达5 1 0 m ，测速精度为0 1 s ，面测时精度约为数十纳秒。 3 、应用广、功能多 g p s 系统可以为各类用户连续地提供动态目标的三维位置、三维速度和时间， 还可以用于卫星通信和卫星广播。此外，在军事上g p s 系统还有着更加重要的应 用。 4 、实时定位速度快 利用g p s 系统，在一秒至数秒内便可完成一次定位和测速动作，这对高动态 用户来说至关重要。 5 、抗干扰性能好、保密性强 由于g p s 系统采用了特殊的编码技术，即伪随机噪声码，因而卫星所发送的 5 韭塞銮通太堂亟堂位监塞鱼堕全鉴定位丞蕴 信号，具有良好的抗干扰性和强保密性。 2 。3g p s 系统的定位原理 g p s 系统的定位分为绝对定位和相对定位两种。绝对定位是以地球质心为参考 点，确定接收机天线在w g s 一8 4 坐标系中的绝对位置。由于定位作业仅需要一台接 收机工作，因此又称作单点定位。采用若干台g p s 接收机同步跟踪同一组g p s 卫 星的发射信号，从而确定g p s 接收机之间的相对位置的定位方法，称为相对定位。 每一颗卫星连续不断地向g p s 接收机发送可跟踪的唯一编码序列，g p s 接收 机根据编码辨认相关的卫星，进而计算出接收机的确切位置和准确时间。 2 3 1g p s 定位的基本观测量与定位模型 g p s 接收机通过本地码与卫星信号的伪随机码进行相关处理，测定信号从卫星 至接收机的传播时间f ，这就是g p s 接收机定位的基本观测量。采用时钟变量表 示方法，则有 f = t f 7 = 瓴+ 吼) 一p + 詹) = 瓦一r 。+ 吼一毋7 = f + 毋i 一毋。 式( 2 一1 ) 式中七- 接收机； f ， 一卫星； 理想的g p s 时刻； 时钟的表面时； 卫星s 钟时刻，f j = r 7 + 詹，其中揖7 为卫星钟差； 一- 接收机七钟时刻，= 瓦+ 吼，其中吼为接收机钟差； f 一真实的传播时延； 将式( 2 - 1 ) 两边同乘以光速c ，可得伪距p ： p = c f = c f + c 盘i c 舀7 = 胄+ 钆一c 拧 式( 2 2 ) 式中p - 伪距； 卫星至接收机的几何距离： 巩= c 吼接收机钟差等效距离参数； 6 卫星钟差，可由导航电文求得； 式( 2 2 ) 又称为g p s 伪距测量定位基本模型。 卫星至接收机的几何距离计算公式为： r = 瓜可正面再研万面万砸硐丽式c z 哪 式( 2 2 ) 为伪距测量定位的基本模型。从式( 2 2 ) 中可以看出，伪距定位 模型中，除了用户的三维位置参数( z ，k ，五) 以外，还有一个接收机钟差等效距 离参数以，即定位中存在4 个未知数，需同时观测4 颗以上卫星才能求解。 设在测站七同时观测4 颗以上卫星，【，= l ，2 ，人) ，可列出_ ，个方程： ：( f ，气) + 钆一c 拧，：峙，一五) 2 + 妒一k r + ( z ，一乙r j ”+ 以一。嚣， 式 ( 2 4 ) 式中似。，y ，z ) 一一由卫星星历求出f 时刻卫星，的位置： i z ，耳，乙) 一接收机点位坐标( 未知) ； k 一一接收机钟差等效距离参数( 未知) ； 卫星钟差，可由导航电文求得； 显然当_ ，4 时，可解方程组，求得4 个未知数，这就是伪距测量定位原理。 由上可知，由于将接收机钟差等效距离参数钆作为一个未知数来求解，可大大放 宽对接收机时钟的要求，使接收机成本下降。另外，在定位的同时、还可定时， 所以g p s 系统实际上是四维定位。 2 3 2g p s 伪距定位解算 根据伪距基本方程式( 2 4 ) ，考虑电离层延迟印、对流层延迟酗毛和观测 随机误差v f ，可组成观测误差方程： v ：= 彳一雁f 习飘正砑可历了一屯+ c 国- 一馘一戳式( 2 5 ) 将上述方程线性化，即在| i 点的概略坐标伍? ，昭，刀) 处，用以= 钟+ 瓤、 k = p + 毋：、乙= 刃+ 区代入式( 2 5 ) ，并进行泰勒展开，忽略二阶以上高次 项，可得伪距定位线性误差方程： = 口占+ 叫6 k + ，五l 一巩+ 一冠+ c 盘7 一西嘭一西吐 式( 2 6 7 式中以，叫，) 接收机七到卫星，的观测向量的方向余弦，其中： 巧= 半球等沣等； 霹接收机七到卫星，的距离础的近似值，即： 霹= 伍，一f y + ( y ，一瑁) 2 + ( z ，一刀) z 式( 2 7 ) 将式( 娜) 中的常数项合并为4 = 彰一一c 母7 + 嚷+ 哦，则可得： = f f 吼+ 耐必+ 甄一巩一以 式( 2 8 ) 其中 睁k 嵋r 乒【积：6 甄磊乙轧r 上；陋e r 在 ：! | ：竺： 办攫垮 + 6 t f 艿，7 + j p 乏+ j 反+ 1 式( 2 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 中，对于电离层和对流层延迟的变化率j 矗、万花，由于测速 时间间隔较短，其值甚微，可忽略不计卫星于r 时刻的三维速度( j ，声，方 可 由星历计算，卫星钟差的变率j ，也可由导航电文求得： j 声：口l + 2 口：t ，一f 。) ：q + 2 口：“一，c 一乞) 式( 2 一1 1 ) 8 因此，它们都是已知值，可用常数项丘表示式( 2 1 0 ) 仅含4 个未知参数 ( 丘，五，之) 和( 接收机钟差变率的等效距离变化率参数) ，因此若观测4 颗以 上的g p s 卫星，即可解算出接收机三维速度( 最，五，之) 和接收机钟差变率等效参 数文：c 6 ；。 现将式c 加，写成t = k 小：f 耋 一以一耳 式( 2 1 2 ) 其中珐= l ：x j + m l y j + 畦z j c 6 t j p l 将式( 2 一1 2 ) 写成矩阵形式弘谢r - z式( 2 一1 4 ) 其中 芦 丧舞蠢 7 r 1 r 詹一耳乙瓯j l 奎m en e o 后i 驴雄砖一l ii ； ； k 嘶砖一1 l ex h + m ey “+ 砖z j i c 6 t 一p 扛i l x j t + m y h + 砖z h c 5 t h p ； 1 x “+ m 挈y i + 砖z j _ 一c 6 t 一p 公式中上角标为卫星号，历元“所观测到的卫星数目为n 。表示观测值 的随机误差。与g p s 伪距定位矩阵方程式( 2 - 9 ) 相比较，我们会发现测速观测矩 阵方程的系数阵彳与定位观测矩阵方程的系数阵彳完全相同。 2 3 4 伪距与速度精度分析 根据最小二乘法的有关精度估算公式，估算g p s 定位结果的精度。伪距观测 9 值的方差 研；坚式( 2 - 1 5 ) “2 i i 式z - 1 5 未知数x 的权逆阵晚为：级= 0 彳r = x 的方差一写方差阵为：d 二= 西q _ 。= j h o no ； o 杞口亿 o no n a 托a m 盯聆a o ； a a o ao ： 式( 2 - 1 6 ) 式( 2 一1 7 ) 的对角线元素为定位坐标分量和钟差的方差，非对角线元素为它 们之间的协方差。由于q o = 0 7 j 蕾) - 1 ，因此权逆阵计算可与定位结算一并进行，求 出q 0 后，各元素乘以爵即得d i ，。求得点位各坐标分量的方差口；，西，司后，即 可求得点位精度口；= + 田+ 川) 。 在实际应用中，根据上面算出的位置和速度信息存在着一定的偏移，这将在 存储记录数据时造成了一定数量上的不准确。虽然这些偏移目前无法根除，但是 可以采取的数值分析的方法，使偏移量控制在可以接受的范围之内。下面将采用 平滑算法对数据进行处理，可以看到处理后的数据的精度将会大大提高。 2 4 指数平滑法 指数平滑法是移动平均法的改进。其基本思想是：在预测研究中越近期的数 据越应受到重视，时间序列数据中各数据的重要程度由近及远星指数规律递减， 故对时间序列数据的平滑处理应采用加权平均的方法。指数平滑法就是一种加权 平均法，但这个权数是根据过去的预测数和实际数的差异确定，这样取得的权数 称为平滑系数。可以利用该系数调整实际的数字。根据平滑次数的不同，指数平 滑法可分为：一次指数平滑法、二次指数平滑法和三次指数平滑法等。 2 4 1 一次指数平滑法 设时间序列为期，y ：，只，则一次指数平滑公式为： 础) = 研+ ( 1 一口刚式( 2 _ 1 8 ) 式( 2 1 8 ) 中群为第r 周期的一次指数平滑值，口为加权系数( o 口 1 ) 。 为了弄清指数平滑的实质，将上述公式依次展开，可得： 甄c 蠢c 蠡如 如甄鳓如如如如如 吼驮g 幺 印= 口( 1 一口y + ( 1 一口y 醋 式( 弘1 9 ) j 柚 由于o 口 4 ) ，可以根据最小二乘法求解，即组成法方程： 彳7 a x = 一7 三式( 2 3 3 ) 解法方程，求得未知数参数向量： x = 0 7 彳广1 彳7 三 式( 2 3 4 ) 以观测到4 颗卫星为例，对式( 2 3 2 ) 的结果进行平滑处理： 砰) = 斛+ ( 1 一口删 式( 2 3 5 ) 因为位置信息和时间一般情况下服从直线关系，所以当时间量化的非常小时 有： 置矿哪一掣) + 啬似一卅2 ) 式( 2 - 3 6 ) 速度信息和时间一般情况下服从二次曲线关系，当时间量化的非常小时则有： 伽3 一3 + v 儿卉【( 6 也牡2 ( 5 也矽+ ( 4 也矽p + 赤n 2 垆+ 盼枷- 3 7 ) 在实际应用中要根据城市的交通状况和以往的数据来确定口的值。通过上面 的方法，可以看到数据的精度在一定程度上可以得到改善。 2 6 载波相位平滑伪距精度 在g p s 系统定位时，为了提高测量精度，可以利用载波相位的变化来平滑伪 距，从而提高伪距测量的定位精度。相位平滑伪距测量值的精度大约为3 0 6 0 c m 。 2 6 1 载波相位平滑伪距数学模型 相位、伪距测量方程如式( 2 3 8 、2 3 9 ，2 - 4 0 、2 - 4 1 ) 所示。由于相位和伪 距测量值除了观测噪声、多路径效应和电离层影响外，其它影响都一样，不考虑 相同的改正项，相位和伪距测量方程为： 概+ 摊i ) = 户一a p h i + a d ，1 + 式( 2 3 8 ) 如b ，2 + 啦j = 户一a d 0 2 + a 以2 + 勺2 式( 2 3 9 ) 丑= p + 峨l + a + 式( 2 4 0 ) b = 户+ 蛾2 + d p 2 + 占p 2 式( 2 4 1 ) 上式中，p 为星站间的距离；惕、啦分别为厶、厶相应的相位模糊度参数； 五、五为相应的相位波长；仍、仍为相应的相位观测值；丑、最为相应的伪距观测 值；蛾，l 、衄k ：为相应的电离层折射影响；峨、越k 、钿、2 和 嵋l 、峨：、唧i s ，2 为相应的相位和伪距的多路径效应影响和观测值噪声 由于相位多路径效应影响和观测噪声很小，式( 2 4 0 ) 式( 2 3 8 ) 后有： 丑一 仍= + 2 a ) 0 i + d 九+ 占，l 式( 2 4 2 ) 式( 2 - 4 1 ) 式( 2 3 9 ) 后有： 最一如吼= 再2 + 2 d h 2 + a d p 2 + 唧2 式( 2 4 3 ) 考虑到一定历元内，伪距的多路径效应影响和观测值噪声的均值为零，电离 层折射变化很小，可视为常数，有： 五他+ 2 - 贬= 杰眩一五卅) ，f 式( 2 q 4 ) j t l 式中，七= l 、2 表示相应的厶、岛、= l 、2 3 、f 为历元序号。 2 6 2 单频相位平滑伪距法 在单频相位平滑伪距的情况下，由( 2 4 4 ) 可得到第f 个历元上的平滑伪距为： 置= 锄+ ( 知+ 2 哦) 式( 2 - 4 5 ) 实际计算中，采用加权平均法的递推公式进行伪距平滑： 寿= q 只+ ( 1 一q ) 【乒一l a ( 仍4 一纪) 】式( 2 4 6 ) 1 4 式中，丘、丘一。分别是第f 、i 一1 次历元平滑伪距值；q 为第j 次对应的权。 当，= l 、国= l ，此后每历元递减，以减少伪距观测值的权比，充分利用高精 度的相位观测值。实际应用存在相位观测值中的周跳和电离层发散的影响两个问 题，合理选取平滑时间、利用双频尸码观测是解决以上问题的有效途径。 2 6 3 消除电离层影响的双频相位平滑伪距法 对于电离层影响，利用双频观测值组合消除一阶项电离层影响后，剩余的高 阶项影响大约为2 4c m 。解决周跳的问题，常采用三差法、相位拟合法等。根据 仍一如仍的变化，精确发现周跳，相应方法修正到2 周内。 消除电离层影响的伪距和相位观测值为： 只= 心一9 2 b ) ，( 1 一9 2 ) 式( 2 4 7 ) 仍= 仍( 1 一9 2 ) 一仍g ( 1 一9 2 ) 式( 2 4 8 ) 式中，g = 石为厶、三：载波频率的比值；e ，吼分别为各卫星消除电离层影 响后的伪距和相位观测值。 相应的伪距和相位观测方程为： 以g i + 甩。) = p + 峨+ a 占西 式( 2 4 9 ) = p + a d + s k 式( 2 5 0 ) 式中，疋、栉。分别为无电离层组合相位观测值的波长和整周模糊度参数。 式( 2 4 9 ) 一( 2 5 0 ) 后，取f 个历元上的平均值，即： = 眩一以衫) f 式( 2 5 1 ) j - l 则平滑后的伪距为： 意= 屯依+ 式( 2 5 2 ) 式中， 表示以在f 个历元上的平滑值。 利用已清除周跳的消去电离层延迟影响的相位观测数据对伪距进行平滑： 。= 纠( f 1 ) f + 僻一九纯) f 式( 2 5 3 ) 式中， 表示丸以。在第f 个历元的平滑值。 利用此方法得到的平滑伪距精度比较高，一般可以达到分米级。 2 6 4 平滑伪距精度分析 由于平滑伪距方法是基于相位初始模糊度参数不变的前提下进行的，所以通 过分析初始模糊度的递推表达式得到平滑中的质量情况。根据式( 2 5 3 ) ，对 。进行质量控制，由递推公式求出其方差： 砰= o 二+ ( f 一 ) 2 + ( 掣一以程一 ，) 2 ) ，( f 1 ) 式( 2 5 4 ) 盯k ，= 砰，f 式( 2 5 5 ) 由此可见，随着历元的增加，初始模糊度的方差逐渐减小，同时历元的过长 时间也会造成周跳发生的机会增加。有效判定历元数是提高精度、实现快速实时 定位的关键之一 伪距观测值与平滑伪距精度对比，就是以小尺度的相位观测值平滑大尺度的 码伪距观测值，以达到提高精度的作用。因此与信号传播有关( 对流层折射、电离 层折射、相对论效应及多路径效应) 的误差项，都以载波相位观测值所达到的精度 为平滑伪距精度：平滑过程的改正量又是第f 与f 1 次相位观测值的差分过程，使 得与接收机、测站和卫星有关的相近误差得以削弱或抵消，从而达到平滑伪距较p 码伪距精度得以改善的目的。 2 7g p s 卫星信号的产生 g p s 卫星信号是g p s 卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波，它包含有： 载波、测距码和数据码。时钟基本频率为1 0 2 3 删z 。 2 7 1g p s 卫星载波 g p s 卫星发射两种l 波段的载波信号，它们都是用基本频率五= 1 0 2 3 膨调制 产生的，即： 厶载波，其频率为z = 1 5 4 兀= 1 5 7 5 4 2 膨眈，波长为1 9 0 3 c m ： 工2 载波，其频率为 = 1 2 0 五= 1 2 2 7 6 0 脱眈，波长为2 4 4 2 c m ； g p s 卫星的测距码和数据码采用调相技术调制到载波上。 2 7 2g p s 卫星测距码 g p s 卫星测距码主要分为两种：c a 码和p 码。 1 、c a 码 c a 码又被称为粗捕获码，它被调制在厶载波上，是1 砌z 的伪随机噪声码( p 刚 码) ，其码长为1 0 2 3 位( 周期为l m s ) 。由于每颗卫星的c 码都不一样，因此经 常用它们的p r n 号来区分。c a 码是普通用户用以测定测站到卫星问距离的一种主 要的信号。 2 、p 码 p 码，又成为精码，它被调制在厶和工2 载波上，是1 0 姗z 的伪随机噪声码，其 周期为七天( 码长为2 3 5 4 5 9 5 9 2 7 6 5 0 0 0 b i t ) 。在实旌a s 时，p 码与w 码进行模二加， 生成保密的y 码，此时一般的用户是无法利用p 码来进行导航定位。 2 7 3g p s 卫星数据码 g p s 卫星的数据码即g p s 卫星的导航电文，它是用户用来定位和导航的数据基 础。导航信息被调制在厶载波上，其信号频率为5 0 h z ，包含有g p s 卫星的轨道参数、 卫星钟改正参数和其它一些系统参数，g p s 卫星信号的产生如图2 2 所示。用户一 般需要利用此导航信息来计算某一时刻g p s 卫星在地球轨道上的位置，导航信息也 被称为广播星历。 卫星广播的导航信息采用不归零二进制编码，每帧含有5 个子帧，每个子帧为 3 0 0 b i t 。在组成一个主帧的5 个子帧中，予帧l 、子帧2 、子帧3 的导航信息一般相 同，而且这3 个帧是每3 0 秒重复一次，子帧4 和子帧5 分别包含2 5 个不同的页。卫星 播发的导航电文的过程中，子帧l 、子帧2 、子帧3 这3 个帧每小时更新一次数据， 而且子帧4 和子帧5 的数据仅在给卫星注入新的导航数据后才进行更新。 j 7 l 蚴m h 2 o 一缸嘲。一嗍曰一镛号绷 图2 2g p s 信号的形成框图 2 8g p s 接收机 g p s 接收机是用户设备的核心部分，主要包括天线、接收机和电源和数据处理 软件等部分。其主要功能是接收g p s 卫星发射的信号，捕获和跟踪各卫星信号的伪 随机噪声码和载波，从中解调出卫星星历、星钟改正参数等；通过测量本地伪随 机噪声码与卫星的伪随机噪声码之间的时延测定伪距测量值，通过测量载波频率 变化和载波相位获取伪距变率和载波相位观测值；根据获取的这些数据，计算出 用户接收机的三维位置( 经度、纬度和高程) 、速度和时间信息。g p s 用户设备发 展的主要趋势是； l 、集成化、小型化。随着电子技术和微处理技术的发展，g p s 接收机的集成化程 度越来越高，使整机尺寸和质量大大减少，价格也迅速下降。 2 、高动态、多通道。研制和生产高动态、多通道的接收机，以满足动态定位用户 的需求。这种接收机有多达1 2 个2 0 个通道，可同步跟踪8 颗1 2 颗卫星，不致于 因载体机动丢失个别卫星的信号而中断导航定位。 3 、差分g p s 接收机，这种接收机可进行实时差分导航定位，以消除定位误差，提 高定位精度。 4 、以g p s 系统为中心的组合导航系统，如g p s i n s ( 惯导) ，g p s g l o n a s s 等组合 1 3 式导航系统，具有广阔的应用前景 5 、高精度动态接收机。当前动态g p s 接收机大多是伪距测量型接收机，而非特许 用户只能利用c a 码，其实时定位精度较低，在无s a 条件下最高达m 级精度，不能 满足高精度要求的用户需要。为此，许多国家研制了动态高精度载波相位测量型 g p s 接收机。 6 、g p s 系统与通信结合。没有好的通信链，g p s 系统的作用得不到充分发挥，目前 很多国家在研究移动通信与g p s 系统相结合的技术。 1 9 北塞銮通太堂亟堂位论塞 鱼鲢姿整动墟值丕蕴 3 1 g p r s 概念及特点 3g p r s 移动通信系统 移动通信是当前发展最快、应用最广的通信技术。时至今日，a m p s t a c s 的第 一代模拟移动通信系统已经退出历史舞台，g s m 第二代数字移动通信系统虽然还是 移动通信领域中的主力军，但是g s m 系统最高通信速率仅为9 6 k b p s ，面对越来越 丰富多彩的数据业务要求，越来越难以承载业务的需求。g p r s 作为2 5 代的重要技 术可谓应运而生。g p r s 网络是对g s m 网络的平滑升级，通过在g s m 系统的无线层新 增p c u 作为分组接入和控制单元，在网络层新增s g s n 、g g s n 实施用户管理和分组支 撑，将电路交换系统和数据交换系统合二为一，从而实现系统资源的有效利用， 拓展系统功能。 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e 。通用分组无线业务) 是一种采用分组交 换技术传输数据及信令的高效率数据传输方式。g p r s 是区别于原有g s m 电路交换方 式的另一种数据传输方式，它利用存储转发原理，把不同终端的数据分割成等长 标准数据格式，通过非专用的逻辑子信道进行数据快速交换，即将信息分成数据 分组或信息包，再加上目的地址、分组编号、控制比特等的分组头，沿不同路由 进行传送，接收端按照分组编号重新组装原始信息。分组通信的实质是依靠高处 理能力的计算机来充分利用宝贵的通信信道资源。基于分组交换的g p r s 业务理论 上的速率可达到1 7 1 2 k b p s 。 g p r s 允许用户在分组交换模式下发送和接收数据，从而提供了一种高效、低 成本的无线分组数据业务。分组交换的基本过程是把数据先分成若干个小的数据 包，可通过不同的路由，以存储转发的接力方式传送到目的端，而组装成完整的 数据。分组交换基本上不是实时系统，延时也不固定，但可以使不同的数据传输 “共用”传输带宽：有数据是占用带宽，无数据时不占用，从而分享资源。在g s m 无线系统中，无线信道资源非常宝贵。如采用电路交换，通信需要建立端到端的 连接，信道只能被一个用户独占，在成本效率上显然缺乏可行性。而采用分组交 换的g p r s 则可灵活运用无线信道，每一个用户可以有多个无线信道，而同一信道 又可以由几个用户共享，从而极大地提高了无线信道资源的利用率。在理论上， g p r s 可以将最多8 个时隙组合在一起，给用户提供高达1 7 1 2 k b s 的带宽。由于g p r s 用户的数据通信费是以数据流量为基础，而不考虑通信时长，所以g p r s 用于i p 业 务的接入更为用户所接受。 与原有g s m 的数据业务相比，g p r s 技术具有以下优点： 北京奎通盘堂亟堂焦i 金室 q 照姿整动通信丕蕴 l 、资源利用率高。g p r s 引入了分组交换的传输模式，使得原来采用电路交换模式 的g s m 传输数据方式发生了根本性的变化。与电路交换模式相比，用户只有在发送 或接收数据期间才占用资源，这样可以多个用户共享同一个无线信道，大大的提 高了资源的利用率。另外，g p r s 用户的计费以通信的数据量为主要依据，体现了 “得到多少、支付多少”的原则，这样g p r s 用户的连接时间无论多长，却只是支 付相对低廉的连接费用。 2 、传输速率高。g p r s 可以提供1 7 1 2 k b p s 的速率。这意味着通过便携式电脑，g p r s 用户能和i s d n 用户一样快速地上网浏览，同时也使一些对传输速率敏感的移动多 媒体应用成为可能。 3 、接入时间短。g p r s 的接入时间缩短为小于1 秒，能够提供快速的即时连接，可 大幅度提高一些事务的效率，并可使已用的i n t e r n e t 应用操作更加便捷、流畅。 4 、支持x 2 5 协议和i p 协议。由于存在大量的分组数据网，支持x 2 5 协议可使己存 在的x 2 5 应用能在g s m 网络上继续使用。由于g s m 网络覆盖面广，所以g p s r 能提供 i n t e r n e t 和其它分组网络的全球性无线接入。可以认为，g p r s 加强了这种趋势， 即移动网络和数据网络的融合。 3 2g