智能运输系统概论第6章

智能运输系统概论

（第三版）普通高等教育“十一五”国家级规划教材21世纪交通版高等学校教材杨兆升于德新主编史其信高世廉主审目录第1章绪论第2章智能运输系统的体系框架第3章智能运输系统的理论基础第4章交通信息采集与处理技术第5章通信技术第6章车辆定位技术第7章网络技术第8章数据库技术第9章新技术在智能运输系统中的应用第10章交通信息服务系统第6章车辆定位技术概述6.1

GPS定位技术6.2北斗卫星定位技术6.3组合定位技术6.4小结6.56.1概述在交通运输管理中，卫星定位导航系统与GIS电子地图、无线电通信网络及计算机车辆管理信息系统相结合，可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能。车载诱导要实现自动跟踪车辆的当前位置，并为出行者提供从当前位置到目的地的最优路径，只有做到实时准确的当前位置跟踪显示，才能实现真正意义上的诱导。因此，准确定位是实现智能运输系统主要功能的前提条件。车辆定位的目的与意义6.1概述从目前发展情况来看可用于移动车辆定位的方法有：GPS单独定位、GLONASS单独定位、北斗定位、GPS/GLONASS组合定位、GPS/DRS组合定位、GPS/INS组合定位、GNSS定位、GNSS/INS定位、GSM定位等。此外还有一些辅助的定位方法，如：地图匹配（MapMatching）技术，信号杆SP（SignalPole），卫星无线电定位业务（RadioDeterminationSatelliteService，简称RDSS）等。6.1概述GPS全称为导航卫星测时和测距/全球定位系统，英文全称为NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem。目前在地球上空已有27颗GPS卫星（包括3颗备份卫星）在运行.

GPS定位系统GPS已经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，给测绘领域带来一场深刻的技术革命。6.1概述全球海军导航卫星系统（GlobalNavyNavigationSatelliteSystem，简称GLONASS）是前苏联紧跟美国GPS空间计划平行发展的。截止1995年底，一共发射了73颗卫星。现在，在轨道上正常运行的卫星有25颗，已经完成了24+1的星座布局。GLONASS系统的24颗卫星均匀分布在三个轨道平面上，每个平面上分布8颗卫星，轨道平面相互间隔。GLONASS系统的支撑系统是由地面上的5个跟踪站和9个监控站组成，提供着GLONASS卫星的导航电文。GLONASS定位系统6.1概述是由“两弹一星”功勋奖章获得者、中国科学院院士陈芳允先生于1983年提出来的。“北斗一号”试验系统后，第二代北斗卫星导航系统的建设也拉开序幕，于2007年4月、2009年4月、2010年1月和6月，各发射了四颗北斗卫星。2007年，与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS和欧洲的Galileo卫星导航系统一起被确认为全球四大卫星导航系统。截至2012年底已成功发射了16颗“北斗”导航卫星，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。北斗卫星导航系统6.1概述伽利略定位系统（Galileo）是欧盟一个正在建造中的卫星定位系统，是继美国GPS、俄罗斯GLONASS及中国北斗后，第四个可以供民用的定位系统。Galileo系统计划在轨卫星30颗，建成后将提供开放服务、商业服务、公共规范服务以及生命安全服务等四种导航服务。开放服务提供任何人自由使用，信号将会广播在1164-1214MHz以及1563-1591MHz两个频带上。同时接受两个频带的信号水平误差＜4米，垂直误差＜8米。Galileo定位系统6.1概述1996年，美国、俄罗斯、欧洲和日本决定在1998-1999年期间采用一套被称为GNSS（GlobalNavigationSatelliteSystem，全球导航卫星系统）的用于地球同步卫星的增强型卫星系统。随着世界各国对卫星导航的重视和发展，国际GNSS系统正逐渐成为一个多系统、多层面、多模式的复杂组合系统。美国航空无线电技术委员会（RTCA）是该计划的主要的策划者，开发GNSS系统的宗旨是为了利用所有的导航卫星信息。全球导航卫星系统（GNSS）6.1概述数字蜂窝移动通信中被广泛使用的GSM（GlobalSystemforMobileCommunications，全球移动通信系统），是由模拟蜂窝移动通信发展起来的。GSM系统集中了现代信源编码技术，信道编码、交织、均衡技术，数字调制技术，话音编码技术以及慢跳频技术，同时在系统中引入了大量计算机控制和管理。GSM系统提供多种电信服务，包括话音、电文、图像、传真、计算机文件、消息等。利用现有移动通信系统中基站和移动终端之间的无线电信号传播特征，同样可以实现移动站定位。数字蜂窝移动通信定位系统6.1概述航位推算技术（Dead-Reckoning，简称DR）是自主定位的，一般不受外界环境的影响，可以通过自身的推算得出车辆载体的位置和速度信息，这是航位推算技术的优点。但是，航位推算系统本身的误差是随时间积累的，因此它单独工作时不能长时间保持高精度。另外，航位推算系统基本由测量航向的传感器和测量距离的传感器构成。测量航向角的传感器主要有磁罗盘、差动里程仪和角速率陀螺；测量距离变化的传感器主要有加速度计、里程仪、多普勒雷达等。航位推算技术6.1概述地图匹配技术（MapMatching，简称MM）就是引入地图上的信息，通过将定位导航系统的位置信息与地图坐标信息进行比较和融合，从而提高整个系统的定位精度。地图匹配的假设条件是车辆应该行驶在道路上。当导航系统确定的车辆位置精度不高时，车辆位置将偏离道路，地图匹配技术就会找到一条最近的道路，并将车辆位置匹配到道路上。地图匹配技术第6章车辆定位技术概述6.1

GPS定位技术6.2北斗卫星定位技术6.3组合定位技术6.4小结6.5GPS定位采用空间被动式测量原理，即在测站上安置GPS用户接收系统，以各种可能的方式接收GPS卫星系统发送的各类信号，由接收机解算出站星关系和测站的三维坐标。美国的卫星导航定位系统用于测量时，用的是WGS-84坐标系。6.2.1GPS定位原理如图所示，欲确定平面上一点O的位置，需要两个参考点O1和O2并测定R1和R2的距离（3个点不能在一条直线上）。同理，确定三维空间中一点的位置，需要3个参考点，并测定待测点与这3个参考点的距离（4个点不能在一个平面上）。因此，理想情况下，通过测定地球上某一点与3颗卫星的距离，即可确定该点的空间位置。6.2.1GPS定位原理GPS的卫星时钟基频f0=10.23MHz，在L频段上配有两种基频：

L0载波：fL1=154f0=1575.42MHz；

L1载波：fL2=120f0=1227.60MHz；GPS的每一颗卫星连续不断地发送可跟踪的惟一编码序列，GPS接收机据此辨认相关卫星。GPS的测距码（P码和C/A码）和数据码都是采用扩频伪码的调相技术PSK调制到载波上去的。在L1频段上有数据流和两种测距码分别以同向和正交方式进行调制，其信号结构为：

6.2.1GPS定位原理6.2.1GPS定位原理在L1频段上只有P码进行双向调制：将卫星与接收机振荡器产生的码序列进行相关处理就完成了对某一卫星的跟踪和锁定；进一步进行解调，可得到导航电文，又可求出卫星信号的传播时间，乘上光速便得到从卫星到接收机的伪距。GPS定位是通过伪距测量得到的，由于存在时钟差、大气效应、接收机误差，这里的伪距并非实距，伪距数学表达式为：只要同时观测到4颗卫星，就可实现三维定位（经度、纬度、高度）。6.2.2GPS定位误差分析1）电离层延迟误差电离层引起信号的延迟，相位传播的超前，它们大小相等、符号相反。电离层传播的影响与沿卫星和用户接收机视线方向的总的电子数（TEC）有关，与信号频率的平方成反比。TEC的函数关系复杂，与时间、位置和太阳活动有关。

2）对流层的延迟影响

对流层传播延迟是由于电磁波信号通过对流层时，其传播速度小于光速引起的附加延迟，一般可达2~20m。它一般与湿度、大气压、温度以及高度角有关。对流层影响变化缓慢，呈低频特性。6.2.2GPS定位误差分析3）SA的影响SA即选择可用性（SelectiveAvailability）。在所有的GPS工作卫星上实施SA政策，使水平定位精度降低至100m，垂直定位精度为156m，时间精度为175ns。SA政策已于2000年5月1日停止使用。4）星历误差

卫星星历误差是由于星历预报与模型的不完善而导致的，它直接影响了卫星位置的解算，从而导致定位解的误差。卫星星历是周期性变化规律，一般始于一个均匀分布的值，之后呈指数规律变化，直到下一星历注入。6.2.2GPS定位误差分析5）地球自转的影响在计算卫星和用户之间的距离时，涉及到卫星发射信号的时刻和用户接收信号的时刻，而计算时用到的地心坐标系，只能是某一时刻的瞬时坐标系，在发射时刻到接收时刻这一时段，惯性坐标系中的用户、卫星随坐标系一起运动，所以计算几何距离时，要考虑地球自转的修正，从而消除惯性坐标系对距离计算造成的误差。6）接收机相关误差接收机相关误差主要包括通道偏差、量测噪音、时钟模型的误差、硬件噪音和延迟等。6.2.3差分GPS定位原理及方法由于SA政策的存在，GPS系统提供的单点定位精度在100m左右。即使是在SA政策停止使用后，其单点定位精度也只有20~40m，难以满足高精度的定位需求。差分GPS定位技术解决了这个问题。所谓差分GPS（DifferentialGPS，简称DGPS）就是将一个已精确测定的已知点作为差分基准点，在此点安装GPS接收机，连续接收GPS信号，通过处理再与已知的精确位置作比较，不断确定当前的误差，然后把它通过通信链传送至该地区的所有移动GPS用户，以修正它们的定位解。原理图为：6.2.3差分GPS定位原理及方法差分GPS实时定位技术基本上可分为两种类型，即局域差分GPS和广域差分GPS。局域差分的技术特点是向用户提供综合的差分GPS改正信息——观测值改正，而不是提供单个误差源的改正，作用范围比较小，一般在150km之内。广域差分的技术特点是将主要误差源分别加以计算，并分别向用户提供这些差分信息，作用的范围比较大。实现DGPS的方法包括位置差分法、伪距差分法、载波相位差分法等，这3类差分方法的工作方式是相同的，即都由基准站发送改正数，由用户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，三种方法发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。6.2.3差分GPS定位原理及方法1）位置差分原理这是一种最简单的差分方法。安装在基准站上的GPS接收机观测到4颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的，存在误差。即：6.2.3差分GPS定位原理及方法基准站利用数据链将此改正数发出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改进：如考虑到用户站的位置改正值瞬间变化，则：6.2.3差分GPS定位原理及方法

最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站与用户站的共同误差。以上步骤的先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星。这种差分方法的优点是计算方法简单，只需要在解算的坐标中加改正数即可，能适用于一切GPS接收机，包括最简单的接收机。缺点是必须严格保持基准站与用户站观测同一组卫星。如果有8颗可观测卫星，将组成70个组合，基准站和用户站观测环境也不能保证完全相同，因此无法保证两站观测到同一组卫星。6.2.3差分GPS定位原理及方法2）伪距差分原理这是目前用途最广的一种技术。在基准站GPS接收机测量出可见的所有卫星的伪距和搜集全部卫星的星历文件，计算出各卫星的地心坐标，又根据其他方法得到基准站的准确地心坐标，则可利用二者反求出各卫星到基准站的实距：同时基准站GPS接收机测量到的伪距包含各种误差，可以求出伪距的误差修正值：6.2.3差分GPS定位原理及方法又可求出伪距误差修正值的变化率：基准站将、传送给用户，则用户至卫星的伪距为：由于修正后的伪距去除了基准站与用户共同的系统误差，因而：6.2.3差分GPS定位原理及方法与位置差分相比，伪距差分具有如下优点：（1）基准站能够提供可见的所有卫星的修正值，因而用户可选择接收任意四颗卫星的信号，而前者要求用户与基准站接收相同的四颗卫星；（2）计算的伪距修正值是直接在WGS-84坐标系上求得的，是直接修正值，不用换算为当地坐标，因而定位精度高。当然两种方法同时要求：（1）基准站的坐标要精确测定，这是DGPS的基础；2）用户与基准站之间的距离要有限制，一般在100km以内，否则电离层延迟将导致较大误差。3）载波相位差分原理载波相位差分技术是建立在实时处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。实现载波相位差分的方法分为两类：修正法和差分法。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站进行求差解算坐标。6.2.3差分GPS定位原理及方法第6章车辆定位技术概述6.1

GPS定位技术6.2组合定位技术6.4小结6.5北斗卫星定位技术6.36.3.1北斗定位原理“北斗一代”与“北斗二代”两个系统在定位原理上采用的都是伪距定位。其基本思想都是三球交汇原理，但由于一代系统的观测量只有两个且使用有源的工作方式，使得其在定位原理、所能够提供的定位精度上与二代系统又存在着很大的不同。北斗卫星导航系统的定位是基于“三球交会”原理，即以2颗卫星的已知坐标为圆心，以测定的卫星至用户接收机距离为半径，作出2个球面，用户接收机必然位于这2个球面交线的圆弧上。6.3.1北斗定位原理中心站的电子高程地图库提供的是一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。求解圆弧线与地球表面交点，并己知目标在赤道平面北侧（系统的覆盖范围只在北半球），即可获得用户的二维位置。如图所示。6.3.1北斗定位原理“北斗一代”系统定位的几何原理是：以两颗卫星为球心，以卫星到用户接收机的距离为半径形成两个球体。由两颗同步卫星在赤道平面的弧度距离为60o，计算知两者的直线距离为4200km，这一距离小于两卫星到接收机的距离之和（约7200km），所以两球一定相交形成一交线圆。同步卫星的轨道平面与赤道平面重合，该交线圆必定垂直穿过赤道平面，在地球的南北半球各有一个交点，根据系统的覆盖范围都在北半球可知北半球的那个交点就是用户接收机的位置。6.3.1北斗定位原理

“北斗一代”的工作原理如上图所示。“北斗一代”每应答一次地面中心处理站发出的询问信号，地面中心处理站可测得以下两个距离：6.3.1北斗定位原理

其中：

若已知用户的高程值为H（这一信息一般由用户自带的高程测量仪获得），则可以得到第三个方程：

联立三式即可得到用户坐标。6.3.1北斗定位原理

“北斗二代”卫星导航系统的定位原理与GPS类似，用户接收机在其覆盖范围内至少可以得到三个以上的观测量，在实际的导航定位应用中，考虑到接收机与卫星的时钟没有严格的统一，将两者的钟差作为第四个参数进行求解，因此至少需要四个观测方程：6.3.2北斗系统组成

北斗卫星导航系统包括北斗一号和北斗二号共两代系统，由空间段，地面段，用户段三部分组成，如图所示。6.3.2北斗系统组成

空间段包括五颗静止和三十颗非静止轨道卫星。非静止轨道卫星由27颗中圆轨道卫星和3颗同步轨道卫星组成。

地面段包括主控站、卫星导航注入站和监测站等若干个地面站。主控站主要任务是收集各个监测站段观测数据，进行数据处理，生成卫星导航电文和差分完好性信息，完成任务规划与调度，实现系统运行管理与控制等。注入站主要任务是在主控站的统一调度下，完成卫星导航电文、差分完好性信息注入和有效载荷段控制管理。6.3.2北斗系统组成监测站接收导航卫星信号，发送给主控站，实现对卫星段跟踪、监测，为卫星轨道确定和时间同步提供观测资料。用户段包括北斗系统用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。系统采用卫星无线电测定（RDSS）与卫星无线电导航（RNSS）集成体制，既能像GPS、GLONASS、GALILEO系统一样，为用户提供卫星无线电导航服务，又具有位置报告以及短报文通信功能。6.3.3北斗工作过程

地面控制中心向卫星I和卫星II同时发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户申请的服务内容进行相应的数据处理。对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：即从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟；从中心控制系统发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。6.3.3北斗工作过程由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，可以由上述两个延迟量计算出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上；另外，中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。因此，中心控制系统利用数值地图可计算出用户所在点的三维坐标，并将之与相关信息或通信内容一起发送到卫星，经卫星转发器传送给用户或收件人。第6章车辆定位技术概述6.1

GPS定位技术6.2组合定位技术6.4北斗卫星定位技术6.3小结6.56.4.1GPS/DR组合定位系统GPS/DR组合定位系统的组成

GPS/DR组合定位系统由GPS定位系统、航位推算系统（DR）和信息处理系统三部分构成，系统原理框图如图所示。6.4.2GPS/DR/MM组合定位技术

GPS/DR/MM组合定位技术是将GPS，航位推算和地图匹配三者结合起来的组合定位技术。将三者的信息进行融合，在地图精度足够高的情况下，能够有效减少车辆运行时的累积误差，提高导航系统的定位精度和可靠性。一般有两种方案：一种方案是级联式GPS/DR/MM车辆组合定位，即将GPS和航位推算系统组合后的定位结果引入到电子地图中，利用地图匹配技术进一步修正定位结果；另一种方案是将GPS、航位推算系统和电子地图三者的定位信息一起进行组合滤波，组合滤波可以采用集中式滤波和联邦式滤波，从而得到整个系统的最优解。6.4.2GPS/DR/MM组合定位技术在级联式GPS/DR/MM车辆组合定位系统中，利用里程仪数据和角速率陀螺仪数据进行航位推算，将推算结果与GPS接收机得到的数据通过卡尔曼滤波实时校正组合系统的误差（元件