差分GPS定位技术在ITS中的应用

概述1 随着社会的发展,机动车辆增加,交通拥塞导致时间延 迟,交通事故增多,环境污染加剧,这些都会造成巨大的经 济损失。各国纷纷开展研究,旨在利用计算机、现代通信及 自动化等现代高新技术来改善交通状况,建立智能交通系统 ,合理利用现有道路交通设施,充分发挥道路交通的 (ITS潜能,提高道路通行能力,以便有效地解决交通拥塞现象。 是将先进的信息技术、导航定位技术、数据通信技术、 ITS 自动控制技术、图像分析技术以及计算机网络与处理技术等 现代高新技术有效地运用于整个交通运输体系,使人、车 辆、道路密切配合,和谐地统一,建立在一种大范围内、全 方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合系统,是一种 新型交通系统。在智能交通系统中的应用主要基于这样一种考虑:GPS 在 中,一个关键的问题就是要准确地知道车辆当前所在 ITS 的位置,这个问题通常采用全球定位系统 技术解决。 (GPS是美国维护的卫星全球定位系统,包括 个部分:GPS 3GPS卫星空间部分、地面支撑系统 地面监控部分 、 接收 ( ( GPS 机 用户部分 。它可以为地面用户提供精确的三维位置、三 ( 维速度和时间。它由 颗距地球 万多公里的人造地球卫星 242组成,形成对地面的连续、均匀覆盖。 定位的特点是全 GPS 天候、实时性和高精度,因此倍受测量和导航用户的青睐。在 中的应用主要体现在车辆定位和导航上,在 GPS ITS 的诸多应用中,车辆定位导航应用发展最快,它可以改 GPS 善交通条件,提高交通流量和系统动态响应通行条件,从而 避免地区交通拥挤,取得巨大的经济效益和社会效益。目 前,车辆应用已跃居 各应用之首, 车辆应用有 种 GPS GPS 3类型:美国的汽车急救系统; 日本的车辆导航仪; (1(2(3中国的车辆调度系统。从目前的情况来看,日本的车辆导航 仪应用最具规模,而且已有全国性的与之匹配的道路交通信 息系统及其中心。美国的急救系统也在不断的扩大应用之 中。我国的 车辆调度指挥系统正值蓬勃发展,尤其在公 GPS 安、金融部门中应用最为广泛。是一套较为完备的服务体系, 服务可分为 大 ITS ITS 6组,包括:旅行和交通管理、商业车辆管理、公共运输管 理、电子付款、应急管理和先进的车辆安全系统,这 大服 6务又可进一步细化为 个服务种类,其中至少有 种需要知 288道车辆的实时位置。 对车辆导航的精度要求见表 。ITS 1表 对 车 辆 导 航 的 精 度 要 求 表1 ITS服 务 种 类 精度要求(m 服 务 种 类 精度要求(m 防 撞 1导航与路线引导 520自动车辆监视 30数 据 采 集 2535自动车辆识别 30车辆指挥与控制 3050公 共 安 全 10自动话音报站 2530资 源 管 理30应 急 响 应75100事故或应急响应 30采用差分 技术的原因在于:美国政府在 设 计 GPS GPS 中,计划提供两种服务:一种是标准定位服务 ,利用 SPS 粗码 定位,精度约为 试验应用时,实际精度达 (C/A100m(,提供给民间用户使用;另一种是精密定位服务 14m ,利用精码 码 定位,精度达到 试验应用时,实际 PPS (P 10m(精度达 ,提供给军方和特许的民间用户使用。鉴于现实 3m 与计划的矛盾,美国政府采取了 政 SA(Selective Availability策,人为地将误差引入卫星时钟和卫星数据中,故意降低 的定位精度,保证其军事上的优势。事实上,差分技术 GPS 很早就被人们所应用,它实际上是在一个测站对两个目标的 观测量、两个测站对一个目标的观测量或一个测站对一个目 标的两次观测量之间进行求差。其目的在于消除公共项,这 包括公共误差和公共参数,而提取有用的相对量。在差分 技术中,通过求差 通常包括位置差分和伪距差分 部 分 GPS ( 地消除距离不远的两个单点的卫星种差、星历误差、电离层 延迟误差、对流层延迟误差。经过差分之后,民用 的精GPS 差分 定位技术在 中的应用GPS ITS 金 辉,胡福乔,霍 宏上海交通大学图像处理与模式识别研究所,上海 (摘 要 : 差分 技术在智能交通系统中的应用主要体现在车辆定位和导航两个方面,而实现导航首先必须要解决定位问题。文章内容包 GPS 括:差分 的定位原理 主要介绍伪距差分原理,误差估算的数学模型,最后给出采用集中差分技术的应用实例以及对它的评价,并简要介 GPS ( 绍了一些差分 设备。GPS 关 键 词 :智能交通系统; ;差分 GPS GPSApplications of Differential GPS in ITS, , JIN HuiHU FuqiaoHUO Hong(Institute of Image Processing & Pattern Recognition, Shanghai Jiaotong Univ., Shanghai 【 】 -Abstract There are two ways using DGPS in ITSvehicles location and navigation, and location is the base of navigation .This paper summarizesthe theory of DGPS (mainly about pseudo-range DGPS and presents the mathematical model for error estimation .At last an application using centralized differential GPS technology and its estimation are given .Some DGPS devices are introduced in addition.【 】 ; ; Key wordsIntelligent transportation systems(ITSGlobal positioning systemDifferential GPS第 28卷 第 10期 Vol.28 10计 算 机 工 程 Computer Engineering2002年 10月 October 2002 工 程 应 用 技 术 与 实 现 中 图 分 类 号 : TP18文 章 编 号 :1000 3428( 0200 03文 献 标 识 码 :A 200度可达到 的水平。35m差分 的 定 位 原 理2 GPS根据差分 基准站发送的信息方式不同可将差分 GPS GPS 定位技术分为:伪距差分、相位平滑伪距差分、载波相位差分和位置差分原理较简单,本文略去介绍。它们的工作原 ( 理是相同的,都是由基准站发送改正数,由用户站接收并对 其测量结果进行改正,以获得精确的定位结果。所不同的 是,发送改正数的具体内容不一样,其差分定位精度也不 同,这里主要介绍采用的伪距差分原理。安装在基准站上的 接收机观测 颗卫星后便可进行三维定位,解算出基准 GPS 4站的坐标。伪距差分(1伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用 差分 接收机均采用这种技术。在基准站上的接收机要求 GPS 得到它与可见卫星间的距离,并将此计算出的距离与含有误 差的测量值加以比较。利用一个 滤波器将此差值进行 滤波并求出偏差。然后将所有卫星的测距误差传输给用户, 用户利用此测距误差来改正测量的伪距。最后,用户利用改 正后的伪距求解出本身的位置,就可消去公共误差,提高定 位精度。i基准站的 接收机测量出全部卫星的伪距 和收集 GPS等 、 、 、 、 、 t i e A 全部卫星的星历文件 。利用已采集 (的轨道根数计算出各个卫星的地心坐标 , , XY Zi ,同时, 我们可以获得基准站的地心坐标 , , XY Zb 。这样,利用每 一时刻计算的卫星地心坐标和基准站的已知地心坐标求出每iR 一时刻到基准站的真距 :222 ( ( b i b i b i i Z Z Y Y X X R +=式中,上标 i表示第颗卫星,下同。i 基准站 接收机测量的伪距包括各种误差,与真距不 GPS 同。可以求出伪距的改正数:iiiR = (1i&同时可求出伪距改正数的变化率为 i i&基准站将 和 传给各用户台,用户台测量出伪i u距 再加上以上的改正数,便求得经过改正的伪距:( ( ( (0t t t t t ii i u i ucorr +=& (3利用改正后的伪距 ,只要观测 颗卫星就可以 4按下式计算用户站的坐标。iucorr 1v d CR i u + = =1222 ( ( (v d C Z Z Y Y X X u i u i u i +d 式中, 为钟差, 为接收机噪声。v 相位平滑伪距差分(2接收机除了提供伪距测量外,稍加改进,可同时提 GPS 供载波相位测量。由于载波相位的测量精度比码相位的测量 精度高 个数量级,因此如果能获得载波整周数,就可以获 2得近乎无噪声的伪距测量。一般情况下,无法获得载波整周 数,但能获得载波多普勒频率计数。实际上,载波多普勒计 数测量反映了载波相位变化信息,即反映了伪距变化率的测 量。在 接收机中一般利用这一信息作为用户的速度估 GPS 计。考虑到载波多普勒测量的高精度,并且精确地反映了伪 距变化,因此若能利用这一信息来辅助码伪距测量就可以获得比单独采用码伪距离测量更高的精度。这一思想也就称为 相位平滑伪距测量。载波相位差分技术(3精度为米级的差分 应用已成功应用于较多的领域, GPS 随之而来的是更加精密的测量技术载波相位差分技术, 这又称为 技术,是建立在实时处 RTK(Real Time Kinematic理两个测站的载波相位基础上的。它能实时提供观测点的三 维坐标,并达到厘米级的高精度。与伪距差分原理相同,由 基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传 送给用户站。用户站接收 卫星的载波相位与来自基准站 GPS 的载波相位,并组成相位差分观测值进行实时处理,能实时 给出厘米级的定位精度。实现载波相位差分技术的方法分为 两类:修正法与差分法。前者与伪距差分相同,基准站将载 波相位修正量发送给用户站,以改正其载波相位,然后求解 坐标。后者将基准站采集的载波相位发送给用户台进行求差 解算坐标。前者为准 技术,后者为真正的 技术。RTK RTK 引 入 误 差 估 算 的 数 学 模 型3 掌握差分 定位技术在 中应用所采用的原理后, GPS ITS 还必须经过实际的测试检验。一般采用这两种方法:相 (1对测量 包括静止测量和运动测量 :这是在统一的坐标系中 ( 进行的,它代表了差分 测量系统的定位精度; 绝对测 GPS (2量:在差分 应用中,一般都是与当地坐标系或当地地形 GPS 图相联的。如一定地区航线运动时偏离量是多少,利用 GPS 测量的距离与真实距离差别有多大,这就需要绝对测量。现引入误差估算的数学模型。以上检验工作是在平面上 0进行的,其位置输出为精度 和纬度 。设基站的真位置 , (00B B , (00P P 为 ,用户台的真位置为 ,基准台的测 , (Bi Bi , (Pi Pi 量值为 ,用户台的测量值为 。显示 , (BiBi , (PiPi和 为随机量。, (Bi Bi , (PiPi采用数理统计法,令 和 的数学期望值分别为:, ( , (Bi Bi Bi Bi E = (5 , ( , (Pi Pi Pi Pi E =(6, (Bi Bi , (Pi Pi , (BiBi 令 、 分别为 , (Pi Pi 和 与其真值的误差,也是一随机量:, ( , ( , (00B B Bi Bi Bi Bi = (7, ( , ( , (00P P Pi Pi Pi Pi =(8, (BiBi, (PiPiP B m m , 令 和的数学期望值为 。则有:, (Bi Bi E Bm = (9, (Pi Pi E P m = (10 , (Bi Bi , (Pi Pi B P令 和 的均方误差为 与 ,则有:2 , (BB Bi B Bi m m E = (112, (PP Pi P Pi m m E =(12, (Bi Bi , (Pi Pi BP 令 和 的协方差为 ,则BPP Pi P Pi B Bi B Bi m m m m E = , , , ( (13, (Bi Bi 差分 的基本思想是用基准站的实测误差 GPS 201t(t iucorr , (PiPi 去修正用户台的实测位置 ,设修正后的用户位置以, (P P 表示,则有:, (P P , (Pi Pi , (Bi Bi = (14 , (P P 那么,经过改正的用户坐标 与用户的真位置 , (00P P , (P P 之间的误差 也是一个随机量。, (P P , (00P P P P = =, (Bi Pi Bi Pi (15于是其数学期望值为:B P B B P P P P m m E E E = ( ( , (16222, ( , (P P P P E E 方差 为:= BPP B 222+ (17由式 和 看出,当基准站和用户台测量误差的数 (16(17学期望值越接近,它们的相关性越强,方差也越近,则差分 精度也越高。在对差分 系统检验时,用户台可记录的点 GPS 位 是 经 过 差 分 改 正 的 式 。 而 此 时 用 户 台 的 真 位 置 (1400, P P 是不知道的。因此在作业时,可在一段时间内连 (, (, , (2211P P P P 续记取改正后的位置 将全部 , . , 观测值取中数,求得最大或然值,可近似作为真值,即, (00P P 然后,求出每一个观测值与此最大或然值之差:, ( , (00Pi P Pi P i i = (19最后,按下列公式求出经度、纬度和位置的均方误差。 1 (120=n Ni PiP 1 (12=n N i Pi P 1 (cos (1120220+=n N i Ni Pi P P Pi P P 式 为差分 定位的位置均方误差公式。 (22GPS应 用 差 分 技 术 的 系 统 实 例4 GPSITS 图 为实际应用中采用集中差分 技术的原理图。 1GPS 图 采 用 集 中 差 分 技 术 的 原 理 图1 GPS每一辆车装有通用 接收机和通信电台,调度中心设GPS 在基准站位置,坐标精确已知,也安装有通用 接收机、 GPS 通信电台和数据处理器、大屏幕显示器。工作时,各车辆上 的 接收器将其位置、时间和车辆编号一同发送到调度中 GPS 心。调度中心用差分改正数将其改正,计算出精确坐标,经 过坐标转换后,显示在大屏幕上。利用这种差分 定位系 GPS 统有如下特点:集中差分功能可以简化车辆的设备,提高 1 了工作的可靠性。车辆只接收 信号,不必考虑差分信号 GPS 的接收。调度室集中差分处理,易于显示、记录和存档。 2 数据通信可采用现有的车辆通信设备,这样既保留原有的无 线通话,又能进行无线数据通信,只要增加通信转换接口即 可,因而节约了设备,降低了成本。 给每辆车固定编号, 3 它与定位信息一同编入电文,按时或按总部指令将其发送给 总部。调度室据此可识别车辆,并显示在电子地图上。在电 子地图上将显示出各车辆的位置,为调度和指挥提供信息。最后介绍一下差分 设备:应用较广的有在全球建立 GPS 的广域差分 设备; 公司生产的 GPS(WADGPSASHTECH M-、 、 ,可装入差分 板选件,构成差分 X11MD-X11Z-X11GPS 的基准站和流动站; 公司生产的 GPS GARMIN SRVY IITM