Gps在智能交通中的应用

1、GPS控制网设计结课论文姓名： 学号： 班级： 电话：GPS在智能交通中的应用摘要随着国民经济的快速发展和机动车数量的急剧增加，在交通方面的问题日益突出，与世界其他国家一样，交通拥挤、车流堵塞、交通运输网络的不完善成为制约我国经济发展的主要因素。如何解决车辆与道路之间日益突出的矛盾，科学的配置和利用道路资源，有效的加强车辆管理，建立智能化交通体系已成为促进城市化建设和管理的必然趋势。GPS技术能够提供高精度的实时动态定位，给予驾驶人员必要的路况和导航信息，有效的解决交通拥挤、混乱的问题。目前，我国的智能交通体系已取得了长足的发展，相信随着科学技术的不断发展， GPS卫星定位技术将在智能交通系统

2、中发挥越来越重要的作用。本文在GPS和智能交通原有技术的基础上，结合国内外发展现状，就GPS在智能交通中的应用进行分析，最后对GPS在智能交通系统中的发展前景进行了总结和展望。关键字 ： 全球卫星定位系统（GPS）； 智能交通系统（ITS）1 研究背景及意义全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统，它是由24颗卫星构成的卫星信号网，其中21颗工作卫星，3颗备用卫星，均匀的分布在6个轨道上，基本保证了地球上的任何地点，在任何时刻均至少可以同时观测到4颗卫星，以满足陆、海、空三大领域实时、全天候、全

3、球性的导航和定位需求。用户的GPS接收设备通过接收所在区域能够收到的卫星的信号，从而得到这些卫星与GPS接收设备之间的距离，由于卫星发出的信号中已经给出了当时卫星的准确位置，因而GPS接收设备即可计算出自身的位置，此即GPS的定位原理。目前，商业用户的定位精度一般只能保证误差小于15m。随着2010年“智慧城市”概念的提出，智能交通系统的建设也是日新月异。智能交通系统（Intelligent Transport System，ITS）是将先进的信息技术、通讯技术、传感技术、控制技术以及计算机技术等有效地集成运用于整个交通运输管理体系，而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效

4、的综合的运输和管理系统。在GPS卫星导航系统的众多应用领域中，智能交通系统被称为民间应用的一个最大市场，例如：北京建立交通管理中心，大连在公交系统中安装了GPS系统和电子站牌，上海实施了高架路速度管理和诱导以及可变标志指引等等。这些技术向道路用户提供了必要的信息和便捷的服务，有效地减少了交通堵塞，大大的提高了交通运输的效率。随着科学技术的不断发展和GPS 各项功能的不断提高，我国的智能交通系统将会越来越完善。2 国内外研究现状2.1 俄罗斯的“格洛纳斯”系统俄罗斯的GLONASS卫星定位系统于1995年正式建成，最早开发于苏联时期，后由俄罗斯继续该计划。俄罗斯1993年开始独自建立本国的全球卫

5、星导航系统。按计划，该系统于2007年开始运营，当时只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务。到2009年，其服务范围已经拓展到全球。GLONASS星座由30颗卫星组成，其中27颗工作星和3颗备份星。27颗工作卫星均匀地分布在3个近圆形的轨道平面上，这三个轨道平面两两相隔120度，每个轨道面有8颗卫星，同平面内的卫星之间相隔45度， 轨道高度2.36万公里，轨道倾角56度。GLONASS用户设备能接收卫星发射的导航信号，并测量其伪距和伪距变化率，同时从卫星信号中提取并处理导航电文。接收机处理器对上述数据进行处理并计算出用户所在的位置、速度和时间信息。GLONASS系统提供军用和民用两种服务，其定位精

6、度为10米左右。目前，GLONASS系统的主要用途是导航定位，当然也可以广泛应用于各种等级和种类的定位、导航和时频领域等。目前，格洛纳斯系统仍有相当的技术难点未攻克，具体为：1.目前GLONASS工作不稳定，卫星工作寿命短，在轨卫星只12颗；2.GLONASS用户设备发展缓慢，生产厂家少，设备体积大而笨重；3.由于GLONASS采用的是FDMA，所以用户接收机中频率综合器复杂；4.对GPS/GLONASS兼容接收机，需解决两系统的时间和坐标系统问题。 2.2 美国的GPS系统美国的GPS卫星定位系统由美国国防部于1973年开始设计、研制，1993年全部建成。GPS主要由空间卫星星座、地面监控站

7、及用户设备三部分构成：GPS空间卫星星座：由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内,轨道平面的倾角为55,卫星的平均高度为20200 km,运行周期为11 h 58 min。卫星用L波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号,导航定位信号中含有卫星的位置信息,使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻,在高度角15以上,平均可同时观测到6颗卫星,最多可达到9颗。GPS 卫星产生两组电码，一组称为C/A 码( Coarse/Acquisition Code11023MHz)，一组称为P码(Precise Code 10123MHz) 。

8、地面监控站：地面控制部分由一个主控站，5个全球监测站和3个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据，经过初步处理后，传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到3个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时，把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障，那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度会逐渐降低。用户设备：GPS用户设备由GPS接收机、数据处理软件及其终

9、端设备(如计算机)等组成。GPS接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号,跟踪卫星的运行,并对信号进行交换、放大和处理，再通过计算机和相应软件,经基线解算、网平差，求出GPS接收机中心(测站点)的三维坐标。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。现今，各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。1994年，美国宣布在10年内向全世界免费提供GPS全球定位系统的使用权，但至今美国只向外国提供低精度的卫星信号，精确度约为10m。据悉，美国目前正在实验第二代工作卫星系统，计划发射20颗卫星，定位精度计划达到1mm。2.3 欧洲的“伽利略”系统欧洲于1999

10、年提出“伽利略计划”，它实际上是一个欧洲的全球导航服务计划，它是世界上第一个专门为民用目的设计的全球性卫星导航定位系统，与现在普遍使用的GPS相比，它将更显先进、更加有效、更为可靠。它的总体思路具有四大特点：自成独立体系；能与其它的GNSS系统兼容互动；具备先进性和竞争能力；公开进行国际合作。欧洲伽利略系统是欧洲计划建设的新一代民用全球卫星导航系统，系统由30颗卫星组成，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为备用卫星。卫星高度为24126公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内。该系统除了30颗中高度圆轨道卫星外，还有2个地面控制中心。伽利略系统除了能提供精确的定位信号外，还可以提供移动电话业务服务，

11、用于救生行动，如接收失事飞机的求救信号后，快速通知附近的救援部门。据称，这些是GPS还无法实现的。该系统将主要服务于民用，提供的定位精度通常为15-20m（单频）和5-10m（双频）两种档次。“伽利略”系统是世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统，在2008年投入运行后，全球的用户将使用多制式的接收机，获得更多的导航定位卫星的信号，将无形中极大地提高导航定位的精度，这是“伽利略”计划给用户带来的直接好处。另外，由于全球将出现多套全球导航定位系统，从市场的发展来看，将会出现GPS系统与“伽利略”系统竞争的局面，竞争会使用户得到更稳定的信号、更优质的服务。世界上多套全球导航定位系统并存，相互之

12、间的制约和互补将是各国大力发展全球导航定位产业的根本保证。“伽利略”计划是欧洲自主、独立的全球多模式卫星定位导航系统，提供高精度，高可靠性的定位服务，实现完全非军方控制、管理，可以进行覆盖全球的导航和定位功能。“伽利略”系统还能够和美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现多系统内的相互合作，任何用户将来都可以用一个多系统接收机采集各个系统的数据或者各系统数据的组合来实现定位导航的要求。“伽利略”系统可以发送实时的高精度定位信息，这是现有的卫星导航系统所没有的，同时“伽利略”系统能够保证在许多特殊情况下提供服务，如果失败也能在几秒钟内通知客户。与美国的GPS相比，“伽利略”系统更先进，也更可

13、靠。美国GPS向别国提供的卫星信号，只能发现地面大约10米长的物体，而“伽利略”的卫星则能发现1米长的目标。42.4 中国的北斗导航系统1994年我国开始建设“北斗一代”卫星导航定位系统。随着2000年10月31日、12月21日和2003年5月25日三颗“北斗”导航卫星的相继发射成功，我国建立了第一代区域性导航定位卫星系统，成为继美国、俄罗斯之后，世界上第三个拥有卫星导航系统的国家。我国的“北斗一代”导航系统综合了传统天文导航定位及地面无线电导航定位的优点，相当于一个设置在太空的无线电导航台，可在任何地点、任何时间为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度，是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域性

14、导航系统。该系统主要为公路交通、海上作业、铁路运输等领域提供导航服务，还可以为灾害预报、森林防火以及气象、石油、海洋、通信、公安等特殊行业提供高效的导航定位服务，能基本满足当前我国陆、海、空运输导航定位的需求，可以说是一个成功的、实用的、投资很少的初级起步系统，对我国经济建设起到了积极的推动作用。中国预计在2020年建成由30多颗卫星组成的，覆盖全球的“北斗二号”卫星导航定位系统。“北斗二号”卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。 “北斗二号”卫星导航系统将克服“北斗一号”系统存在的缺点，同时具备通信功能，其建设目标是为我国及周

15、边地区的我军民用户提供陆、海、空导航定位服务，促进卫星定位、导航、授时服务功能的应用，为航天用户提供定位和轨道测定手段，满足武器制导的需要，满足导航定位信息交换的需要。3 GPS在智能交通中的应用3.1 GPS在汽车导航中的应用三维导航是GPS的首要功能，飞机、汽车、船舶都可利用GPS导航接收器进行导航。汽车导航系统是在GPS基础上发展起来的一门新型技术。GPS汽车导航系统通过向卫星发射的信号，求出该点的经纬度坐标、速度、时间等信息。为了提高汽车导航定位精度，通常采用差分GPS技术。当汽车行驶到高速公路、地下隧道、高层楼群等遮掩物而搜索不到GPS卫星信号时，系统可自动导入自律导航系统，这时由车

16、速传感器检测出汽车的行进速度，通过微处理单元的数据处理，从速度和时间中直接计算出行进的距离，陀螺传感器直接检测出前进的方向，陀螺仪还可自动存储各种数据，即使在因更换轮胎等原因暂时停车时，系统也能够重新设定。由GPS卫星导航所测到的汽车位置坐标数据、行进的方向都会与实际行驶的路线轨迹存在一定误差，为了修正这两者的误差，与地图上的路线统一，需要采用地图匹配技术，加一个地图匹配电路，对汽车行驶的路线和电子地图上道路误差进行实时相关匹配，自动修正，这时地图匹配电路通过微处理单元的整理程序进行快速处理，得到汽车在电子地图上的准确位置，以指示出准确行驶路线。CD-ROM用于存储道路数据等信息，LCD显示器

17、用于显示导航的相关信息。3.2 GPS在行人导航中的应用众所周知，人们的许多生产活动、社会活动以及休闲活动等，都不可能在固定的地点完成，如石油勘探、异地出差、观光旅游等等。人们往往身处人烟稀少的野外，或是宛如迷宫的陌生城市，或是错综复杂的街道大厦，这就使得对行人的定位与导航需求尤为迫切。GPS导航系统能实现实时卫星定位，帮助行人获得可靠的地理位置及路线，确保不迷失方向，保障行人安全。3.3 GPS在交通管理中的应用GPS导航系统与电子地图、无线电通信网络和计算机车辆管理信息系统相结合，可实现车辆跟踪与交通管理等诸多功能，这些功能主要有以下几个方面。（1）车辆跟踪：通过车载GPS接收机，使驾驶员

18、能够随时知道自己的具体位置。通过车载电台将GPS定位信息发送给调度指挥中心，便可及时掌握车辆的具体位置，并在大屏幕电子地图上显示出来，还能实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪。利用该功能可对重要车辆及货物进行跟踪运输，能促进交通管理及物流事业的快速发展。（2）话务指挥：指挥中心能够监测区域内车辆运行状况，对被监控车辆进行合理调度。指挥中心还能随时与被跟踪目标通话，进行实时管理。（3）紧急援助：通过GPS定位及监控管理系统能够对发生事故或遇险车辆进行紧急援助。监控台的电子地图显示报警目标和求助信息，规划最优援助方案，并以报警声光提醒值班人员进行应急处理。（4）信息查询：为用户提供主要物标，如旅游景

19、点、宾馆、医院等数据库，用户可以在电子地图上根据需要进行查询。查询的资料能以文字、语言和图像的形式显示，并在电子地图上显示其位置。同时，监测中心能够利用监测控制台对区域内的任意目标所在位置进行查询，车辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图上显示出来。（5）提供出行路线规划和导航：提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要辅助功能，它包括人工线路设计和自动线路规划。人工线路设计是由驾驶者根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等，自动建立线路库。自动线路规划是由驾驶者确定起点和目的地，由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线，包括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的路线等的计算。线路规

20、划完毕后，显示器可在电子地图上显示设计线路，并同时显示汽车运行路径与运行方法。（6）交通流量监测：为了对交通态势进行多方面分析，利用GPS采集到的实时道路信息综合其他交通数据，对道路交通状况进行分析，提供某一特定路段的实时流量。（7）打车服务系统：“嘀嘀打车”和“快的打车”软件的产生进一步方便了我们的生活，其基本原理是：打车服务系统和GPS监控系统互联互通，通过GPS定位快速的找到离乘客最近的空载车，马上答复客户该车的车牌号、到达时间和联系方式等，并同时通知该车前往接送客人，从而实现快速响应的优质打车服务。3.4 GPS在交通GIS中的应用以GPS为基础的GIS在城市交通和公路交通中具有非常重

21、要的作用,能为车辆和驾驶员提供丰富的信息服务和有效的控制,并为交通管理的智能化和现代化提供有效的保障。当然,由于我国的地域辽阔,地形复杂,地形数据电子化技术还有待进一步完善。3.5 总结总的来说，GPS是ITS的强大工具，GPS设备可以引导驾驶员快速到达目的地，避免绕行，提高效率。一组车辆装备上的GPS设备，则可以通过交通管理中心监视车辆运行位置，并进行调度管理，这同样意味着工作效率的提高。随着我国经济的发展，GPS在ITS上的应用研究将逐步深入和广泛，并将发挥出更大的作用。4 GPS欺骗器GPS已经深深的被键入到我们的系统和设施中，它具有良好的技术性能，能够有效地缓解交通压力，为整个交通系统

22、提供便利服务。但是，这种精确地定位系统在某种程度上为犯罪分子提供方便，使我们受到GPS跟踪的威胁。麻省理工的一个研究生Limor fried研发了一种Wave bubble，即电波气泡，它是一个开源的GPS干扰器，它的原理是：开启开关后，它会在你的周围创造了一个气泡，GPS信号进不了这个气泡，从而被气泡排除在外。但是，它的干扰并不仅限于你的私人空间或是你的车，它还干扰到你周围数英里的无辜的GPS接收器，其结果也可能是灾难性的，最好不要盲目的使用。另外一个比它更有效的东西，即GPS欺骗器，它的原理是：任何GPS接收器中都有一个高峰，它对应的是真实的信号，当你发射一个假的GPS信号时，另一个高峰出

23、现了，当两个高峰完全重合，跟踪点就分别不出差别，这时他们就被更强的假信号劫持了，真实的信号被逼走，假信号则完全控制GPS接收器，从而用一个欺骗器控制一个GPS接收器的时间和位置。事实上，民用GPS信号是完全开放的，它们没有加密，没有验证，它们完全开放，对欺骗性的攻击完全没有抵抗力，这种欺骗可能会造成飞机偏离航线、轮船搁浅等严重后果，所以我们要辩证的对待GPS，严厉打击不良的GPS欺骗。5 总结和展望本文一方面论述了GPS技术的应用促进了ITS的发展；另一方面指出了GPS在ITS中存在的部分问题，事物总是发展和变化的，解决的方法也会不断地改进和提高。就智能交通系统的方面来看,发展GPS车辆导航，配合电子地图提供智能交通系统基础资料构架，有利于优化交通流在整个路网的分配，同时有助于提高交通安全水平，减少交通事故。所以，智能交通系统无疑有着巨大的应用前景和市场前景。但是， GPS卫星导航系统，还有许多缺陷，如： 1）没有足够的精度。 2）有些时候和有些区域没 有足够数量的卫星，成为 GPS盲区(指GPS接收机可接收到信号的卫星数量少于5颗的地区)。3）没有足够的完整性和覆盖范围。 4）数据与