（交通信息工程及控制专业论文）车载GPS道路测量与修正系统的研究与开发.pdf

摘要 随着社会经济的发展，汽车愈来愈成为人们生活中必不可少的交通工具，造 成了日益严重的交通拥挤和环境问题，智能交通系统应运而生，电子地图作为智 能交通的重要组成部分，也愈来愈显出其突出的重要地位。但现有导航电子地图 现势性差，道路信息不完整以及更新速度慢，大大制约了智能交通的发展，要解 决这一问题，就必须在现有电子地图上更新、修正、补充道路信息，因此开发一 种快速而高效地更新导航数字地图的方法就尤为重要。车载g p s 测量作为一种 低成本、高效率的数据获取手段，可以很好的解决这一问题。 本文所设计开发的车载g p s 道路测量与修正系统就是通过车载g p s 测量记 录道路的空间属性信息以及非空间属性信息，并实时将采集到的道路的坐标信息 进行差分处理，显示并保存在基站的计算机上，待进行进一步的数据处理后，输 出至g l s 系统，实现对电子地图的更新 在论文中，对道路数据库的建立、g p s 数据的处理以及系统的实现做了重点 探讨，主要做的工作有：利用车载g p s 测量道路坐标，并选择采用自适应k a l m a t t 滤波算法处理动态数据，提高了道路的测量精度；根据道路矢量数据特点和在本 系统的应用目的，详细设计建立了道路数据库；研究了数据处理方法，对车载 g p s 采集到的道路数据进行处理，包括租差剔除、坐标转换、空间属性数据与非 空间属性数据的匹配、线路偏心改正、曲线拟合等；从软硬件方面设计实现了车 载g p s 道路测量与修正系统的各项功能，较好的实现了电子地图中道路信息的 更新，对促进国内车辆导航系统的发展以及智能交通的发展有着重要的意义 关键词：车载g p sg i s 电子地图差分定位道路修测 w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i e t ye c o n o m y ，t h ea u t o m o b i l ei sm o r ea n dm o l e n e c e s s a r yv e h i c l ei np e o p l e sl i f e ，w h i c hr e s u l t si nt h ei n c r e a s i n g l ys e r i o u st r a f n cj a m a n dt h ee n v i r o n m e n tp r o b l e m 皿ce l e c t r o n i cm a pi st h ei m p o r t a n tc o n s t i t u t ep a r to f t h ei n t e l l i g e n c et r a n s p o r t a t i o ns y s t e m , w h i c he m e r g ew i t ht h et i d eo ft h et i m e s , a n d a l s os h o wi t so u t s t a n d i n gi m p o r t a n tp o s i t i o nm o r fa n dm o b u tt h et i m e l i n e s so ft h e e x i s t i n ge l e c t r o n i cm a pi sb a d , t h em a di n f o r m a t i o ni nt h ee l e c t r o n i cm a pj s n c o m p l e t ea n dt h eu p d a t i n gs p e d i ss l o w , w h i c hr e s t r i c tt h ed e v e l o p m e n to ft h e i n t e l l i g e n c et r e n s p o r t a t i o ns y s t e m t or e s o l v et h i sp r o b l e m , h a v et ou p d a t et h e e x i s t i n ge l e c t r o n i c sm a p ，r e v i s ea n da d dt h er o a di n f o r m a t i o n t h e r e f o r ed e v e l o pa k i n dm e t h o do ft h ef a s ta n de f f i c i e n d yn a v i g a t en u m e r i c a lm a pi sv a r yi m p o r t a n t v e h i c l e - m o u n t e dg p si sak i n do fl o wc o s ta n dh i g h - e f f i c i e n c ym e a n st oo b t a i nd a t a , a n di tc a nb eg o o dt or e s o l v et h i sp r o b l e m n e s y s t e mb yd e s i g n e di nt h i sp a p e rc a nr e c o r dt h es p a c i a la t t n b u t ei n f o r m a t i o n a n dt h en o n - s p a c i a la t t r i b u t ei n f o r m a t i o no f r o a d , a n dc a r r yo nd i f f e r e n c ep r o c e s s i n g w i t ht h er o a dc o o r d i n a t ed a t ao nt h er e a l - t i m e t h er e s u l tw i l lb es h o w e da n ds a v e di n t h ec o m p u t e r 丘x c di nt h eb a s a ls t a t i o n a f t e rt h ef t l f t h e id a t ap r o c e s s i n g , t h ed a t ai s o u t p u tt ot h eg i ss y s t e m , i no r d e rt ou p d a t et h ee l e c t r o n i c sm a p i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rd i s c u s s e st h ee s t a b f i s h m e n to f t h ep a t hd a t a b a s e , g p s d a t ap r o c e s s i n ga n dt h es y s t e m r e a l i t yc h i e f l y t h ec e n t r a lw o r ki n c l u d i n gs u r v e yp a t h c o o r d i n a t e su s i n gv e h i c l e - m o u n t e dg p s ，p r o c e s s i n gd y n a m i cd a t aw i t ht h e a u t o a d a p t e dk a i m a n f i l t e ra l g o r i t h ma n di n c r e a s i n gt h ep a t hm e a s u r i n ga c c u r a c y a c c o r d i n g t o t h e f e a t u r e s o f r o a d v e c t o r d a t a a n d t h e a p p l i c a t i o n a i m o f t h i ss y s t e m , t h ea u t h o rd e s i g n st h ep a t hd a t a b a s e a tt h es a m et i m e ，s t u d yt h ed a t ap r o c e s s i n g m e t h o d si n c l u d i n gg r o s se r r o rr q e c t i o n , c o o r d i n a t ec o n v e r s i o n , d a t am a t c h , p a r t i a l i t y c o r r e c t , a n ds oo n i nt h ee n d , r e a l i z ea ut h ef u n c t i o no ft h i ss y s t e mf r o ms o f t w a r ea n d h a r d w a r ea s p e c t s t h es y s t e mh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et op r o m o t et h ed e v e l o p m e n t o fd o m e s t i cc a rn a v i g a t i o ns y s t e m sa n dt h ed e v e l o p m e n to fi t s k e y w o r d s ：v e h i c l e - m o u n t e dg p s ，g i s ，e l e c t r o n i c sm a p ，d i f f e r e n c eo r i e n t a t i o n , u p d a t i n go ft h er o a d 2 - 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名砖乎洲年t 月2 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：李珲 导师签名：棚澎 伽年中月叫日 护形年月别日 第一章绪论 1 1 车载g p s 道路测量与修正系统的研究意义 数字地球最初是由美国副总统戈尔于1 9 9 8 年1 ) 3 1 日在加利福尼亚科学中心 召开的o p e n g i sc o n s o r t i u m 年会上提出来的。现在它已成为美国“星球大战”和 “信息高速公路”之后的又一全球性战略计划。“数字地球”是遥感、数据库与地理 信息、全球定位系统、宽带网络及仿真虚拟等现代高科技的高度综合和升华， 是当代科学技术发展的“制高点”。“数字地球”实质上是信息化的地球，包括地球 大部分的要素的数字化、网络化、智能化、可视化的全部过程。它形成新的产业， 将推动整个社会经济的发展，它形成的新产业，代表了未来社会的发展方向，是 国家经济可持续发展及国家安全的需要，将推动整个社会的发展 作为“数字地球”的重要组成，全球定位系统( g p s ) 和地理信息系统( g i s ) 在 国民经济建设中发挥了越来越重要的作用，它已经广泛应用于大地测量，交通运 输和道路工程等众多领域中，是现代智能交通( r r s ) 的重要技术支持对改善 现有交通的拥挤状态，加强对车辆的集中管理和调度，实现人、车、路的和谐统 一有着重要的意义然而随着各种车辆导航和交通监控与管理系统( 如智能交通 系统、车载导航系统、公安及银行车辆监控系统等) 的出现和迅猛发展、道路的 新建、拓宽和改建速度加快，现有电子地图中道路信息的不准确和不完整以及更 新周期过长已成为制约车辆导航和管理系统发展的突出问题，对现有电子地图道 路信息的不准确、不完整性，以及更新速度缓慢提出了严峻的考验，这就要求寻 找一种快速在现有电子地图上更新、修正、补充道路信息的方法同时，计算机 和地图数字化快速的发展也为电子地图的快速更新提供了可行的技术手段 g p s g i s 应用于交通道路的测量，可以充分发挥g p s 全球性、全天候、高精 度、三维定位等优点，快速实现交通道路的测量和相关数据的采集，修正和完善 制约车辆导航系统发展的导航电子地图，使其显示的信息更准确完善，满足导航 系统发展的需求，促进我国车辆导航系统的快速发展。 车载g p s 道路测量和修正系统以m a p o b j e c t s 为开发环境，结合了d e l p h i 7 0 的强大功能，是g i s 与g p s 相结合的产物，这一系统的建立不仅可以满足各种 车辆导航和管理系统的需要，为用户的决策提供极大的方便，而且可以用于建立 全国的道路网数据库，供交通管理部门使用，具有极大的使用价值和广阔的应用 前景。 1 2 国内外研究现状 近几年来随着时代的进步，交通道路的测量方法，不仅在原有的传统测量仪 器设备上有很大发展，还出现了以高科技为依托的快速数据采集方法 1 2 1 国外发展现状 遥感测量( r s ) 、航空数字摄影和车载g p s 测量方法是国外应用在道路测量 上的三种重要方法 遥感技术s ) 是快速和大面积获取地球空间数据的一种主要方法卫星遥感 技术从人们所达不到的高度，对地球表面进行可见光、近红外、远红外及微波遥 感，获取地球的几何和物理信息，其空间分辨率、光谱分辨率、温度分辨率和时 间分辨率都达到了很高的水平。自法国s p o t - j 星以1 0 m 的空间分辨率问世以来， 高空间分辨率和超高空间分辨率卫星遥感就成了一些国家角逐的重要领域，经过 近十年的沉寂之后，由于一系列技术问题的解决，将有十余颗超高空间分辨率的 遥感卫星或小型卫星由美国、俄罗斯、法国、日本、以色列和印度等国家送入太 空。其分辨率在1 5 m 之间。其中美国于1 9 9 9 年秋终于发射成功的e c o n o s 2 号卫星 分辨率达l m 。 航空数字摄影测量是利用飞机在空中拍摄航空数字相片，然后从相片上解读 地面坐标的测量方法。从空中拍摄照片，最早是1 8 5 8 年纳达在气球上进行的。 随着飞机、光学仪器和计算机的发展，摄影测量经历了模拟法、解析法和数字化 三个阶段，现已进入数字摄影测量阶段。这一方法适合于进行地形图的测量，它 必须要在飞机上连续拍摄，限制了它的广泛应用，但对于地形图的绘制，这种方 法快速、方便，并可以对人无法到达的地区进行测量。 g p s 技术在汽车导航和交通管理工程中的研究与应用在国外的研究早已开 始并已取得了一定的成果。如，加拿大卡尔加里大学设计了一种动态定位系统， 该系统包括一台捷联式惯性系统，两台g p s 接收机和一台微机，可测定已有道 路的线形参数，为道路管理系统服务美国研制了应用于城市的道路交通管理系 统，该系统利用g p s 和g i s 建立道路数据库( 数据库中包含有各种现有的数据 资料，如道路的准确位置、路面状况、沿路设施等) ，该系统于1 9 9 5 年正式运行， 为城市道路交通管理起到重要作用。近些年来国外研制了各种用于车辆诱导的系 统，其中车辆位置的实时确定以往主要依据惯性测量系统以及车轮传感器，随着 g p s 的发展和所显示出的优越性，有取代前两种方法的趋势。用于城市车辆诱导 的g p s 定位一般是在城市中设立一个基准站，车载g p s 实时接收基准站发射 的信息，经过差分处理便可计算出实时位置，把目前所处位置与所要到达的目标 在道路网中进行优化计算，便可在道路电子地图上显示出到达目标的最优化路 线，为公安、消防、抢修、急救等车辆服务。 1 2 2 国内发展现状 在大地测量方面，我国利用g p s 技术开展国际联测，建立全球性大地控制 网，提供高精度的地心坐标，测定和精华大地水准面，已完成西沙、南沙群岛各 岛屿与大陆的g p s 联测，使海岛与全国大地网联成一整体 在工程测量方面，我国应用g p s 静态相对定位技术，布设精密工程控制网， 将其用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧 道贯通测量等精密工程加密测图控制点，应用g p s 实时动态定位技术( r 1 x ) 测绘各种比例尺地形图和用于旅工放样 、 在航空摄影测量方面，我国测绘工作者也应用g p s 技术进行航测外业控制 测量、航摄飞行导航、机载g p s 航测等航测成图的各个阶段。 在交通方面，近年来，车辆导航、交通监控与管理，道路的新建、拓宽和改 建速度加快，我国大部分省市及地区为改善其交通都做了不懈地努力，投入巨资 修建了大量的交通设施，并配套了相应的管理系统与设施，g p s 技术也开始应用 于交通系统，它与g i s 技术、g s m 技术及计算机管理技术相结合，为车辆的定 位监控，卫星导航提高帮助，这极大地推动了道路交通的数字化 1 3 车载g p s 道路测量与修正系统的必要性和可行性 1 3 1r r s 对导航电子地图的需要 随着社会经济的飞速发展，汽车愈来愈成为人们不可缺少的交通工具，这造 成了日益严重的交通和环境问题，给人们的生产和生活带来了严重的影响。智能 交通系统( i n t e l l i g e n tt r a f f i cs y s t e m ) 应运而生而g p s g i s 作为智能交通系统 ( i t s ) 的重要组成部分，起着不可替代的重要作用车辆导航定位将成为全球 卫星定位系统应用的最大潜在市场之一，是智能交通系统中一个非常重要和基础 的组成系统。 车辆定位是城市智能交通管理的重要内容之一首先是对特种专用车辆的定 位跟踪，例如运钞车，救护车、救火车、公安巡逻车等。对这些车辆往往要求实 现全程监控、调度和指挥，在装备了g p s 卫星定位调度系统以后，可以缩短所 用的时间，这对于人民的生命和财产是很重要的其次对于城市大量的出租车来 说。装上g p s 定位管理系统，不仅可以大大增强防盗防劫的能力，而且十分有 利于出租车的运营管理，可以减少大量出租车为了找用户而无目的的空驶。这对 减轻城市的车流量和减少汽车废气对城市的污染更有十分重要的意义。对城市的 公交系统来说，装备g p s 定位管理系统将可以大大提高其运营管理的智能化水 平 近年来，随着经济的发展，各种突发性的灾难事故( 如：火灾、地震、爆炸 等) 所造成的损失越来越大突发性灾难事故的应急处理也就越来越得到各国的 重视，特别是9 1 1 事件以后，各国政府都加大了这一领域的投入在灾难处理 过程中，保证交通畅通，以便快速疏散现场人员，控制灾难的扩大是第一位的 为了有效地控制灾难的发展，各种专业人员，如：警察、消防员、医务人员等必 须迅速抵达灾难现场，与此同时，灾难波及范围内的平民必须被尽快撤离，在这 种大量人员和车辆的流动中，难免发生道路的拥塞，为避免这一点，一方面要充 分发挥智能交通系统中车辆监控系统的作用，另一方面平时还必须依据道路信息 进行大量的计算机仿真模拟和演习，以预先选择合理的交通方式其中，g p s g 珞 车辆监控系统以及计算机仿真模拟的数据基础就是以导航数据为主的数字地图， 如果不能对导航数据进行快速修测，保证导航数据的现势性，就会使仿真模拟失 去意义，在实际需要时难以发挥作用，甚至造成更严重的危害唧 1 3 2 道路建设与导航电子地图之间矛盾的需要 近年来，为了解决日益突出的交通拥挤问题，各国都在不断扩大道路建设的 力度以我国为例，仅在公路建设一项，每年投入就达到2 5 多亿人民币，年 新增公路里程达4 0 0 0 多公里，其中，增长最快的就是高速公路，2 0 0 3 年我国新 修通了4 6 0 0 公里高速公路，全国高速公路通车总里程达到2 9 8 万公里。2 0 0 4 年我国新增公路通车里程4 6 万公里，总里程将达1 8 5 6 万公里；高速公路里程 新增4 4 0 0 公里，到2 0 0 4 年底，我国高速公路通车里程已超过3 4 万公里2 0 0 5 年底，全年新增公路里程4 9 万公里，其中高速公路6 7 0 0 公里，全国公路总里 程达1 9 2 万公里。根据交通部公布的国家高速公路网规划，从2 0 0 5 年起到 2 0 3 0 年，国家将斥资两万亿元，新建5 1 万公里高速公路，使我国高速公路里 程达到8 5 万公里+ 。道路建设的高速发展，一方面缓解了交通的拥挤，刺激 了公路运输的发展，另一方面，也使现有的导航地图中道路信息与实际情况严重 脱节，在城市之间，不到半年，就会有新的道路出现或原有道路被改建。 道路的新建、拓宽和改建速度较快，现有电子地图中道路信息的不准确和不 完整性( 即现势性差) 已成为突出的问题。如果不及时对数字地图中的道路进行 更新，将势必影响到数字地图中道路的现势性、权威性，直接影响到各方面测绘 工作的顺利进行，造成不可挽救的损失另外在国民经济建设中，随着各种车辆 导航和管理系统( 如智能交通系统、车载导航系统、公安及银行车辆监控系统等) 的出现和迅猛发展，对电子地图中道路信息的需求也尤为迫切，若不解决数字地 图中道路信息的现势性差的问题，将直接影响我国的国民经济建设。 目前，电子地图一般通过扫描或数字化地图获得，或者用航测和遥感的方法 直接成图，这样生成的电子地图道路信息较少，缺乏标识道路信息的准确性和权 威性，且利用这些方法制作的电子地图周期较长，势必会影响到电子地图中道路 信息的现势性。因此，快速、准确地测绘道路，更新电子地图中的道路信息，是 目前所面临的一个重要问题。 1 3 3 车载g p s 道路测量与修正系统的可行性 正如前文所述，道路信息的现势性差以及电子地图更新速度慢严重地影响了 我国国民经济的发展，解决这一瓶颈问题，就必须在现有电子地图上更新、修正、 补充道路信息。而有国家组织力量开展的多是对数字地图全要素快速修测方法的 研究工作，不仅仅是对电子地图中道路信息的修测技术研究，如利用航空摄影技 术和航天摄影技术进行地图全要素的快速修测；利用卫星雷达进行地形的快速修 测等。 导航型g p s 的出现和广泛应用，为解决这一难题提供了必要的技术支持。 导航型g p s ，是为了满足运动物体的定位设计制作的g p s 接收机，主要用于运 动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。一般采用c 埝码伪距测量， 单点定位精度较低。车载g p s 作为导航g p s 的一种，是一种低成本、高效率的 数据获取手段，具有定位精度高、能全天候作业等特点，可以很好地解决这一问 题即采用测量型的g p s 接收机，通过差分处理能达到3 5 m 的定位精度，而 利用载波相位差分技术可在数百k m 范围内达到d m 乃至c m 级的定位精度。因 而，导航型差分g p s 的定位精度完全可以满足测绘道路信息的需求 1 4 本文研究的主要内容 基于前述车载g p s g i s 道路修测系统研究的必要性及可行性，经过对比分 析，本文选择采用基于c o m 技术的a c t i v e x 控件m a p o b j e c t s 进行系统g i s 部分的开发，以期能实现对道路的准确修测功能本文的主要研究内容如下： 1 通过m a p o b j e c t s 技术来实现本系统中数据采集时的g i s 显示、数据处理 时的g i s 编辑、数据入库时的g i s 输出； 2 以车载g p s 移动单元实时采集的道路空间属性数据和非空间属性数据为 基础，生成和更新数字道路网数据库； 3 以d e l p h i7 0 和m a p o b j e c t s 为开发环境，实现对g p s 接收机接收的数据 的自动记录，在基站计算机地图背景下实时显示车载台的运行轨迹，必要时可以 实时生成道路( 不包含道路的非空间属性数据) ； 4 对采集到的g p s 数据完成差分改正、粗差剔除、道路中心的规划、高精 度点的结算、坐标转换等工作。 第二章全球定位系统及地理信息系统 2 1 g p s 系统概况 g p s 是美国从上世纪7 0 年代开始研制，历时2 0 年，耗资2 0 0 亿美元，于 1 9 9 4 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。经近1 0 年我国测绘等部门的使用表明，g p s 以全天 候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功 地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动 监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来 一场深刻的技术革命。 2 1 1g p s 系统的组成 随着g p s 的不断改进，软、硬件的不断完善，应用领域正在不断地开拓， 目前已遍及国民经济各个部门，并开始逐步深入人们的日常生活，它包括三大部 分：空间部分g t s 卫星星座；地面控制部分地面监控系统； 用户设备 4 部分g p s 信号接收机【蚴，下面分别予以介绍。 2 1 1 1 空间部分g p s 卫星星座 “ g p s 空间部分由2 1 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组成。2 4 颗卫星均匀分 布在距离地面大约2 0 2 0 0 k m 的6 个轨道平面内，每条轨道与赤道面的夹角为5 5 。， ， 各个轨道平面之问相距6 0 。，每条轨道上有4 颗卫星。轨道平面上的卫星比西边 相邻轨道平面上的相应卫星超前3 0 。，位于地平线上的卫星颗数随着时间和地点 的不同而不同，最少可见到4 颗，最多可以见到1 1 颗。 g p s 卫星的基本功能是接收和储存由地面监控站发来的导航信息，接受并执 行监控站的控制指令；卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作；通 过星载的高密度铯钟和铷钟提供精密的时间标准；向用户发送定位信息；在地面 监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星 2 1 1 2 地面控制部分地面监控系统 地面控制站由一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。对于导航定位来 说，g p s 卫星是一动态已知点。卫星位置时依据卫星发射的星历描述卫星运 动及其参数得到的每颗g p s 卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。 卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由 地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颖卫星处于同一 时间标准g p s 时间系统，这就要求地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差， 然后由地面注入站发给卫星，卫星再通过导航电文发给用户设备 2 1 1 3 用户设备部分_ g p s 信号接收机 用户设备的核心是g p s 接收机它是由主机、天线、电源和数据处理软件 等组成。其主要功能是：接受卫星发射的信号、获取定位的观测值、提取导航电 文中的广播星历、卫星钟改正等参数经数据处理实时结算观测点的三维位置、速 度和时间信息从而完成导航定位工作当前，g p s 用户设备发展的主要趋势是： 集成化、小型化、多通道。 2 1 2g p s 系统的定位原理 g p s 系统是利用测距交会的原理确定点位的f l l 。g p s 卫星发射测距信号和导 航电文，导航电文中含有卫星的位置信息。用户用g p s 接收机在某一时刻同时 接收三颗以上的g p s 卫星信号，测量出测站点( 接收机天线中心) p 至三颗以 上g p s 卫星的距离并解算出该时刻g p s 卫星的空间坐标，据此利用距离交会 法解算出测站点p 的位置。 设在时刻如在测站点p 用g p s 接收机同时测得p 点至三颗g p s 卫星s l 是岛 的距离为7 l , p 2 , p 3 ，通过g p s 电文解译出该时刻三颗g p s 卫星的三维坐标分 别为留，p ，z j ) ，= 1 , 2 , 3 用距离交会方法求解p 点的三维坐标伍jy z ) 的观 测方程如式( 2 - 1 ) 所示 f 衍一暇一x 1 ) 2 + o ，一y 1 ) 2 + ( z z 1 ) 2 p ；i 僻一x 2 ) 2 + o ，一y 2 ) 2 + ( z z 2 ) 2 ( 2 1 ) i p ；e l ( r x 3 ) 2 + 一y 3 ) 2 + ( z z 3 ) 2 在g p s 定位中，g p s 卫星是高速运动的卫星，其坐标值随时间在快速变化 着需要实时地由g p s 卫星信号测量出测站至卫星之间的距离，实时地由卫星 的导航电文解算出卫星的坐标值，并进行测站点的定位依据测距的原理，其定 位原理与方法主要有伪距定位，载波相位测量定位以及差分g p s 定位等对于 待定点来说，根据其运动状态可以将g p s 定位分为静态定位和动态定位静态 定位指的是对于固定不动的待定点，将g p s 接收机安置于其上，观测数分钟乃 至更长的时间，以确定该点的三维坐标，又叫绝对定位。若以两台g p s 接收机 分别置于两个固定不变的待定点上，则通过一定时间的观测，可以确定两个待定 点之间的相对位置，又叫相对定位。而运动定位则至少有一台接收机处于运动状 态，测定的是各观测时刻( 观测历元) 运动中的接收机的点位( 绝对点位或相对 点位) 。 利用接收到的卫星信号( 测距码) 或载波相位，均可进行静态定位。为了减 弱卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差的影 响，常采用载波相位观测值各种线性组合( 即差分值) 作为观测值，获得两点之 间的高精度的g p s 基线向量( 即坐标值) 。 2 1 2 1g p s 差分定位原理 由于s a 政策降低了使用c a 码的民用用户的定位精度，因而就提出了如何 提高民用定位精度的问题。差分g p s 就是适应这一要求而产生的，其原理如图 2 - 1 所示。目前单g p s 系统提供的定位精度是优于2 5 米，而为得到更高的定位 精度，通常采用差分g p s 技术：将一台g p s 接收机安置在基准站上进行观测 根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时， 将这一数据发送出去用户接收机在进行g p s 观测的同时，也接收到基准站发 出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。 、 图2 - 1 差分g p s 原理图 对于观测到的g p s 伪距和载波相位数据，其观测方程为： p 一7 + c ( d t 一西04 - a 4 + a p _ r + 6 跗+ 嵋 a ( 妒+ r ) - p + c ( d r 一出) 一+ a p t + 6 纠+ 圪 式中： p 伪距测量值 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 舻，相位观测值 ：整周模糊值 a 载波波长 谢；s a 影响 a 电离层折射改正 d t 卫星钟改正 山汀：对流层折射改正 d t ：接收机种改正 p 一( 一工，) 2 + ( ) ，一) ，) 2 + o 一z j ) 2 ；卫星到测站的几何距离 o ，y ，z ，) ：卫星位置坐标 o j ，y i , z ，) ：测站位置坐标，就卢1 ，2 h ，耽：噪声残差 对( 2 - 2 ) 、( 2 - 3 ) 式进行站际a 差分和星际差分两次差分处理得： a v p - a v p + k( 2 4 ) 6 v 妒( a v p + a v ) ，a + 吃仁5 ) 从) 、( 2 - 5 ) 式可看出，经两次差分后去掉了电离层、对流层、卫星星历和 接收机种差的影响 式( 2 4 ) 是g p s 的伪距观测方程，对其进行平差处理，即可得到流动目标点 的x y z 坐标位置，利用这种方法，目标点的坐标精度可以达到扣5 米，完全满足 一定比例尺测图的要求( 二5 ) 式是g p s 的载波相位观测方程。在本项目中，以 伪距观测数据为主，而相位观测数据则用于对伪距数据进行平滑 2 1 2 2k m m a l l 滤波 在g p s 动态定位数据处理中，一般用最小二乘法或卡尔曼滤波方法。利用 最d - 乘法处理g p s 动态定位数据的特点是模型简单、无须了解动态接收机的 运动学特征，使用的是静态函数模型。在g p s 动态定位中，动态接收机的天线 是一个遵循一定规律不断变化的动态系统，不同时刻对该系统的状态所进行的观 测存在一定的相互联系，最b - - 乘法难以充分利用这些规律和相互联系。卡尔曼 滤波是在线性无偏1 4 , 方差估计原理下推得的一种递推滤波方法。它引入了状态 空间的概念，借助系统的状态转移方程根据前一时刻的状态估值和当前时刻的观 测值递推估计新的状态估值。与最小二乘法相比，卡尔曼滤波方法更适合于g p s 动态定位数据处理【”1 。 1 1 普通的卡尔曼滤波方程组为： 状态方程：x i 一吼j 。x t 。+ l 1 - l ( 2 6 ) 观测方程：z 。一h i 墨+ y i ( 2 7 ) 状态预测估计方程：x k t - 1 - 鼽j 1xt-i(2-8) 方差预测方程：足，i 1 吼 以。以。+ l 。级。r l ( 2 - 9 ) 状态预测估计方程：x i - x m - 1 + 墨( z - h 。以，i 。) ( 2 1 0 ) 方差迭代方程：足- ( ，墨。j j r 。) 最，i - i ( 2 1 1 ) 滤波增益方程：墨一只，。h 7 ( h 。足，i 。日：+ r k ) 1 ( 2 - 1 2 ) 初始条件：x o - e x 。】 v a r x o v a r x o - p o ( 2 1 3 ) 验前统计量：e 锨 - o v 眠，) 一幺 以 一0c o v 畋，v ，) - s k a 目o o v 眠，v j ) - o 讳；：；( 2 4 句 驴为状态转移矩阵，x 为参数的状态向量，为了减少待估参数的数量，对于 动态速度不高的车、船，在状态方程中没有加入加速度这项状态量。 在这里，状态量为工- k y ，z ，工，) ，z 。，口一1 7 ，其中，x ，y ，z 分别为动态接 收机天线在w g s 8 4 坐标系中的速度；田一为接收机种差 2 ) 自适应k a l m a n 滤波 实际应用中，如果将标准k a l l i l a n 滤波应用于动态信息修测导航，将对载体 的运动不能够自适应，且不能合理地平衡观测信息与状态方程信息的贡献，于是 k a l m a n 滤波应用于动态定位时会出现发散现象当观测方程和状态方程能正确 描述载体的运动状态和观测信息，随机模型能可靠描述函数模型误差和观测误差 时，k a l m a n 滤波能给出可靠的结果。因此在本系统中，采用了经过改进后的自 适应抗差k a l m a n 滤波算法，该算法采用口因子平衡预测状态和观测信息的权比， 其原理是：当状态预报值x i i t 与历元抗差解x t 相差较大时，将只，。- 变为 啤，i - l ( 口 1 ) ，其中自适应因子口为阳： f 1 i 吼k c 。 扣 南群警2 c o q 蝇k 气 像埘 1 0 i 皈卜c o 式( 2 - 1 5 ) 中c o 和c i 为常量，一般选为c o = 1 0 1 5 ，c l _ 3 0 4 5 ，其中 a j 盈d ix t 一工t 10 妒( b i - i ) ( 2 - 1 6 ) g p s 动态差分定位的核心是利用改进后的自适应k a l i n a n 滤波算法处理动态 数据，建立合理的状态方程和观测方程，提高输出结果的可靠性。 2 1 3 实时动态差分定位技术( r t k ) 随着g p s 技术的提高，r t k 越来越多地应用于当今的测量工作r t k 定位 技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术删，它能够实时地提供测站 点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到锄级的定位精度在r t k 作业模 式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站流动站 不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集g p s 观测数据，并在系统内 组成差分观测值进行实时处理，同时给出锄级定位结果，历时不到一秒钟。流 动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入 动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成周模糊度的搜索求 解。在整周未知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持五颗以 上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结 果r t k 技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术，r t k 定位是要求基准 站接收机实时地把观测数据( 伪距观测值，相位观测值) 及已知数据传输给流动 站接收机，数据量比较大，一般要求9 6 0 0 波特率。 同时，r t k 也存在不足【3 ，如r t k 技术要求能够接收五颗以上的g p s 卫星， 这一条件限制了r t k 技术的应用范围，因为在高楼林立的城市，以及林荫、山 区等地因为遮挡有时观测卫星数会少于五颗，计算时检核条件少，r t k 测量精 度受影响；二是r t k 要求迁站过程中不能关机、不能失锁。迁站过程中不能关 机容易做到，但不能失锁则很困难，因迁站过程中时常会通过树下、立交桥、隧 道等地物，这时都会引起失锁，失锁后必须重新初始化，既要重新确定整周模糊 值；三是流动站必须能同时接受到g p s 卫星的信号和基准站播发的差分信号等， 这些条件限制了r t k 技术的应用，但是随着r t k 技术的提高，它将会带来不可 估量的经济效益和社会效益，有着广泛的应用前景。 2 2 地理信息系统概述 地理信息系统g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是集计算机科学、地理学、 测绘遥感学、环境科学和城市科学等相关学科为一体的综合技术【勰】它是以地 理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管 理、操作、分析，模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和 动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务而建立起来的计算机技术系统。地 理信息系统的核心是“地图学+ 计算机图形学+ 数据库”，与一般的管理信息系统 ( m i s ) 的主要区别在于。g i s 对空间地理数据具有较强的分析、处理、查询等 功能l 硼。 进入2 1 世纪，地理信息系统被广泛应用于多个领域的建模和决策支持，如 城市管理、规划、环境整治等，成为信息时代必需的重要技术之一，并且已经渗 入到政府决策、行业办公、事务处理之中特别是“数字地球”概念的提出，更进 一步推动了g i s 的发展。g i s 已经广泛应用于资源调查、环境评估、区域发展规 划，公共设施管理、交通安全、车辆定位等领域。 2 2 1 地理信息系统组成 一个实用的地理信息系统，要支持对空问数据的采集、管理、处理、分析、 建模和显示等功能，其组成主要有系统硬件、地理空间数据库、系统软件系统 硬件包括计算机和扫描仪等输入输出设备。系统软件包括g i s 专业软件和用户 应用软件地理空间数据库包括两大类型：空间数据与属性数据。空间数据用来 确定图形和制图的位置特征，也就是几何坐标数据，属性数据描述地理实体某种 属性，例如道路的等级与长度。在相应计算机软硬件支持下，数据库可对空间数 据进行采集、管理、分析和显示，并能够根据地理模型分析方法提供动态的地理 信息。 ， 2 2 2 地理信息系统的分类 1 、地理信息系统平台( g i ss y s t e mp l a t f o r m ) 指具有数据输入、编辑、结构化存储，处理、查询分析、输出、二次开发、 数据交换等全套功能的g i s 软件产品。其特点是独立性强、规模大、功能全、 费用高，如e s r i 公司的a r c i n f o ，m a p i n f o 公司的m a p i n f o 等。 2 、专业地理信息系统产品( p r o f e s s i o n a lg i s ) g i s 系统平台厂商利用自身开发系统平台时建立的开发工具集，针对某一专 业领域和业务部门的工作流程，而开发的独立的g i s 运行系统，旨在利用g i s 有针对性地解决具体问题。其特点是符合专业领域或业务部门的工作流程，针对 性强。它是g i s 产品向专业化发展的产物，对扩大g i s 产品影响力具有重要作 用。例如，在电力行业中开发的电力g i s 系统等。 3 、地理信息系统开发工具( g i sd e v e l o p i n gt o o l k i t ) 具有基本g i s 功能，以嵌入方式或通讯方式，可供计算机系统开发工具( 各 种高级程序设计语言) 进行用户化开发的g i s 产品。嵌入方式是指a e t i v e x 等控 件产品，在高级程序设计语言中可以当作嵌入对象使用。如在本系统的建立过程 中所采用的就是e s r i 公司提供的m a p o b j e c t s 地理信息系统开发控件，就是嵌入 在d e l p h i 7 的开发环境中进行开发和使用的，还有m a p i n f o 公司的m a p x ，武汉 吉奥技术有限公司的g o o m a p 等。通讯方式指提供一个后台服务程序，前台系统 发出指令。交给服务程序处理，并将计算结果返回，实现g i s 功能的方式。嵌 入方式和网络方式是计算机科学领域组件化技术的发展在g i s 领域的体现，也 是目前g i s 产品发展的一个热点。 4 、w e b 地理信息系统( w e bg i s ) 随着网络和i n t e r n e t 技术的发展，运行于i n u a n e t 或i n t e r n e t 环境下的地理信 息系统，其目标是实现地理信息的分布式存储和信息共享，以及远程空间导航等。 目前地理信息的分布式存储、空间信息的发布、地址查询和i n t e r n e t 环境中的地 图显示，是g i