差分GPS定位技術(shù)在ITS中的應(yīng)用.

1、概述1隨著社會的發(fā)展，機動車輛增加，交通擁塞導(dǎo)致時間延 遲,交通事故增多，環(huán)境污 染加劇，這些都會造成巨大的經(jīng) 濟(jì)損失。各國紛紛開展研究，旨在利用計算機、現(xiàn)代 通信及自動化等現(xiàn)代高新技術(shù)來改善交通狀況，建立智能交通系統(tǒng)，合理利用現(xiàn)有道 路交通設(shè)施，充分發(fā)揮道路交通的（ITS潛能，提高道路通行能力，以便有效地解決交 通擁塞現(xiàn)象。是將先進(jìn)的信息技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、ITS自動控制技術(shù)、圖像分析技術(shù)以及計算機網(wǎng)絡(luò)與處理技術(shù)等現(xiàn)代高新技術(shù)有效地運用于整個交通運輸體系，使人、車輛、道路密切配合，和諧地統(tǒng)一，建立在一種大范圍內(nèi)、 全方位發(fā)揮作用的實時、準(zhǔn)確、高效的運輸綜合系統(tǒng)，是一種新型交通系

2、統(tǒng)。在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用主要基于這樣一種考慮:GPS在中，一個關(guān)鍵的問題就 是要準(zhǔn)確地知道車輛當(dāng)前所在ITS的位置，這個問題通常采用全球定位系統(tǒng)技術(shù)解 決。（GPS是美國維護(hù)的衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)，包括 個部分:GPS 3GPS衛(wèi)星空間部分、地面支撐系統(tǒng)地面監(jiān)控部分、接收（GPS機用戶部分。它可以為地面用 戶提供精確的三維位置、三（維速度和時間。它由 顆距地球 萬多公里的人造地球 衛(wèi)星242組成，形成對地面的連續(xù)、均勻覆蓋。定位的特點是全GPS天候、實時性和高精度，因此倍受測量和導(dǎo)航用戶的青睞。在中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在車輛定位和導(dǎo)航上，在GPS ITS的諸多應(yīng)用中，車輛定位 導(dǎo)航應(yīng)用發(fā)展最快，它可以

3、改GPS善交通條件，提高交通流量和系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)通行條 件，從而 避免地區(qū)交通擁擠，取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。目 前,車輛應(yīng)用已躍 居各應(yīng)用之首,車輛應(yīng)用有 種GPS GPS 3類型:美國的汽車急救系統(tǒng)；日本的車輛導(dǎo) 航儀;（1（2（3中國的車輛調(diào)度系統(tǒng)。從目前的情況來看，日本的車輛導(dǎo)航 儀應(yīng)用最具 規(guī)模,而且已有全國性的與之匹配的道路交通信息系統(tǒng)及其中心。美國的急救系統(tǒng)也在不斷的擴大應(yīng)用之 中。我國的 車輛調(diào)度指揮系統(tǒng)正值蓬勃發(fā)展，尤其在公GPS 安、金融部門中應(yīng)用最為廣泛。是一套較為完備的服務(wù)體系,服務(wù)可分為 大ITS ITS 6組,包括:旅行和交通管 理、商業(yè)車輛管理、公共運輸管 理、

4、電子付款、應(yīng)急管理和先進(jìn)的車輛安全系統(tǒng) ， 這大服6務(wù)又可進(jìn)一步細(xì)化為 個服務(wù)種類，其中至少有種需要知288道車輛的實時 位置。對車輛導(dǎo)航的精度要求見表。ITS 1表對車輛導(dǎo)航的精度要求表1 ITS服務(wù)種類精度要求(m服務(wù)種類精度要求(m防撞1導(dǎo)航與路線引導(dǎo)520自動車輛監(jiān)視30數(shù)據(jù)采集2535自動車輛識別護(hù)需胡介：金 搭)卩畀 砰巴I收臥啊背能它珈鑑疏中通信抽乳的研究，胡福賦 刖艸控；加 也 講帥屮馮 H Wh 2001-11.2630車輛指揮與控制3050公共安全10自動話音報站2530資源管理30應(yīng)急響應(yīng)75100事故或應(yīng)急響應(yīng)30采用差分技術(shù)的原因在于：美國政府在 設(shè)計GPS GPS中

5、，計劃提供兩種服務(wù)：一 種是標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)，利用一SPS粗碼定位，精度約為試驗應(yīng)用時，實際精度達(dá) (C/A100m(,提供給民間用戶使用；另一種是精密定位服務(wù)14m ，利用精碼 碼定位, 精度達(dá)到 試驗應(yīng)用時,實際PPS (P 10m精度達(dá)，提供給軍方和特許的民間用戶使 用。鑒于現(xiàn)實3m與計劃的矛盾，美國政府采取了 政SA(Selective Availability策，人 為地將誤差引入衛(wèi)星時鐘和衛(wèi)星數(shù)據(jù)中，故意降低的定位精度，保證其軍事上的優(yōu) 勢。事實上，差分技術(shù)GPS很早就被人們所應(yīng)用，它實際上是在一個測站對兩個目標(biāo) 的觀測量、兩個測站對一個目標(biāo)的觀測量或一個測站對一個目標(biāo)的兩次觀測量之間

6、進(jìn)行求差。其目的在于消除公共項，這包括公共誤差和公共參數(shù)，而提取有用的相 對量。在差分 技術(shù)中,通過求差 通常包括位置差分和偽距差分 部分GPS （地消除 距離不遠(yuǎn)的兩個單點的衛(wèi)星種差、星歷誤差、電離層 延遲誤差、對流層延遲誤 差。經(jīng)過差分之后，民用的精GPS差分定位技術(shù)在 中的應(yīng)用GPS ITS金輝，胡福喬霍宏上海交通大學(xué)圖像處理與模式識別研究所，上海（200030摘要：差分技術(shù)在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在車輛定位和導(dǎo)航 兩個方面，而實現(xiàn)導(dǎo)航首先必須要解決定位問題。文章內(nèi)容包GPS括:差分的定位原理主要介紹偽距差分原理，誤差估算的數(shù)學(xué)模型，最后給出采用集中差分技術(shù)的應(yīng) 用實例以及對它的評

7、價，并簡要介GPS （紹了一些差分 設(shè)備。GPS關(guān)鍵詞：智能交通系統(tǒng)；差分GPS GPSApplications of Differential GPS in ITS,JIN HuiHU FuqiaoHUO Hong(I nstitute of Image Process ing & Pattern Recog niti on, Shan ghai Jiaot ong Un iv.,Shanghai 200030【】-Abstract There are two ways using DGPS in ITSvehicles location andnavigation, and locatio

8、n is the base of navigation .This paper summarizesthe theory of DGPS (ma in ly about pseudo-ra nge DGPS and prese nts the mathematical model for error estimati on .At last an applicati on using cen tralized differe ntial GPS tech no logy and its estimation are given .Some DGPS devices are introduced

9、 in addition【】；Key words In tellige nt tran sportati on systems(ITSGlobal positi oning systemDiffere ntial GPS第 28 卷 第 10 期 Vol.28 M 10計 算 機 工 程 Computer Engin eeri ng2002 年 10 月 October 2002?工程應(yīng)用技術(shù)與實現(xiàn)？中圖分類號：TP18文章編號:1000 3428(200210 0200- 03文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A200度可達(dá)到的水平。35m差分的定位原理2 GPS根據(jù)差分基準(zhǔn)站發(fā)送的信息方式不同可將差分 GPS

10、GPS定位技術(shù)分為: 偽距差分、相位平滑偽距差分、載波相位差分和位置差分原理較簡單，本文略去介紹。它們的工作原(理是相同的，都是由基準(zhǔn)站發(fā)送改正數(shù)，由用戶站接收并對 其 測量結(jié)果進(jìn)行改正，以獲得精確的定位結(jié)果。所不同的 是，發(fā)送改正數(shù)的具體內(nèi)容不 一樣,其差分定位精度也不 同,這里主要介紹采用的偽距差分原理。安裝在基準(zhǔn)站上 的接收機觀測 顆衛(wèi)星后便可進(jìn)行三維定位，解算出基準(zhǔn)GPS 4站的坐標(biāo)。偽距差分(1偽距差分是目前用途最廣的一種技術(shù)。幾乎所有的商用 差分接收機均采用 這種技術(shù)。在基準(zhǔn)站上的接收機要求 GPS得到它與可見衛(wèi)星間的距離，并將此計算 出的距離與含有誤Ba差的測量值加以比較。利用一

11、個濾波器將此差值進(jìn)行濾波 并求出偏差。然后將所有衛(wèi)星的測距誤差傳輸給用戶 ，用戶利用此測距誤差來改正測量的偽距。最后，用戶利用改 正后的偽距求解出本身的位置，就可消去公共誤差，提 高定位精度ip基準(zhǔn)站的接收機測量出全部衛(wèi)星的偽距和收集GPS等、t i eA? 全部衛(wèi)星的星歷文件。利用已采集（的軌道根數(shù)計算出各個衛(wèi)星的地心坐標(biāo),XY Zi ,同時,我們可以獲得基準(zhǔn)站的地心坐標(biāo),XY Zb。這樣,利用每一時刻計算的衛(wèi)星地心坐標(biāo)和基準(zhǔn)站的已知 地心坐標(biāo)求出每iR一時刻到基準(zhǔn)站的真距：22 ( ( b i b i b i i Z Z Y Y X X R -+-+-=式中，上標(biāo) i表示第顆衛(wèi)星，下同i基

12、準(zhǔn)站 接收機測量的偽距包括各種誤差，與真距不GPS同?？梢郧蟪鰝尉嗟?改正數(shù)：R pp -=? (1P &同時可求出偽距改正數(shù)的變化率為i p ?ip&?基準(zhǔn)站將和傳給各用戶臺，用戶臺測量出偽i up距再加上以上的改正數(shù)，便求得經(jīng)過改正的偽距：(Ot t t t t ii i u i ucorr -?+?+=pp利用改正后的偽距，只要觀測 顆衛(wèi)星就可以4按下式計算用戶站的坐標(biāo)。iucorr p 1v d CR i u +?+T 式中,為鐘差T為接收機噪1222 ( ( (v d C Z Z Y Y X X u i u i u i +?+-+-+-v相位平滑偽距差分(2接收機除了提供偽距測量外，

13、稍加改進(jìn)，可同時提GPS供載波相位測量。由于 載波相位的測量精度比碼相位的測量精度高個數(shù)量級,因此如果能獲得載波整周數(shù) 就可以獲2得近乎無噪聲的偽距測量。一般情況下，無法獲得載波整周 數(shù)，但能獲得 載波多普勒頻率計數(shù)。實際上，載波多普勒計數(shù)測量反映了載波相位變化信息，即反 映了偽距變化率的測 量。在 接收機中一般利用這一信息作為用戶的速度估 GPS計。考慮到載波多普勒測量的高精度，并且精確地反映了偽距變化，因此若能利用這 一信息來輔助碼偽距測量就可以獲得比單獨采用碼偽距離測量更高的精度。這一思想也就稱為相位平滑偽距測 量。載波相位差分技術(shù)(3精度為米級的差分應(yīng)用已成功應(yīng)用于較多的領(lǐng)域,GPS隨

14、之而來的是更加精 密的測量技術(shù)一一載波相位差分技術(shù),這又稱為 技術(shù)，是建立在實時處RTK(Real Time Kinematic理兩個測站的載波相位基礎(chǔ)上的。它能實時提供觀測點的三維坐標(biāo),并達(dá)到厘米級的高精度。與偽距差分原理相同，由基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈實時將其載波 觀測量及站坐標(biāo)信息一同傳 送給用戶站。用戶站接收 衛(wèi)星的載波相位與來自基準(zhǔn) 站GPS的載波相位，并組成相位差分觀測值進(jìn)行實時處理，能實時給出厘米級的定 位精度。實現(xiàn)載波相位差分技術(shù)的方法分為兩類:修正法與差分法。前者與偽距差分相同，基準(zhǔn)站將載波相位修正量發(fā)送給用戶站，以改正其載波相位，然后求解坐 標(biāo)。后者將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)送給用戶

15、臺進(jìn)行求差解算坐標(biāo)。前者為準(zhǔn) 技術(shù),后者為真正的 技術(shù)。RTK RTK引入誤差估算的數(shù)學(xué)模型3掌握差分 定位技術(shù)在 中應(yīng)用所采用的原理后,GPS ITS還必須經(jīng)過實際的測 試檢驗。一般采用這兩種方法：相(1對測量包括靜止測量和運動測量：這是在統(tǒng)一 的坐標(biāo)系中(進(jìn)行的，它代表了差分 測量系統(tǒng)的定位精度；絕對測GPS (2量:在差分 應(yīng)用中，一般都是與當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系或當(dāng)?shù)氐匦?GPS圖相聯(lián)的。如一定地區(qū)航線運動時 偏離量是多少，利用GPS測量的距離與真實距離差別有多大，這就需要絕對測量。現(xiàn)引入誤差估算的數(shù)學(xué)模型。以上檢驗工作是在平面上 入0?進(jìn)行的，其位置輸 出為精度 和緯度。設(shè)基站的真位置,(00B

16、 B ?入,(00P P ?為；用戶臺的真位置為, 基準(zhǔn)臺的測，(Bi Bi ?X , (Pi Pi ?量值為 用戶臺的測量值為。顯示,(BiBi?兒（PiPi?入和為隨機量,(Bi Bi ?X,(PiPi入采用數(shù)理統(tǒng)計法，令和的數(shù)學(xué)期望值分別為：,(,(Bi Bi Bi Bi E ?X ?X = (5 , ( , (Pi Pi Pi Pi E ?入?X =(6,(Bi Bi S ? S 入，(Pi Pi S ?5X,(BiBi ?入令、分別為,(Pi Pi ?入和與其真值的誤差也是一隨機量：,(,(,(00B B Bi Bi Bi Bi ?X ?XS ?SX -= (7,(,(,(OOP P

17、 Pi Pi Pi Pi?入?XS ?SX -=(8,(BiBi,(Bi Bi S ? S入，(Pi Pi令和?的協(xié)方差為，則s?s入,(PiPiS?SXP B m m ,令和的數(shù)學(xué)期望值為。則有：,(Bi Bi E S ?SXBm = (9SX , (Pi Pi S ?SX B tP,(Pi Pi E S ?SX P m = (10 , (Bi BiS(T令和的均方誤差為與,則有：2 , (BB Bi B Bi m m E tS ? SX =- (112,(PP Pi P Pi m m E tS ? SX =-BPP Pi P Pi B Bi B Bi m m m m E(TS ?SXS ?

18、SX =,(13,(Bi BiS差分的基本思想是用基準(zhǔn)站的實測誤差 GPS 201 ?p(t iucorr p,(PiPi ?，設(shè)修正后的用戶位置以入去修正用戶臺的實測位置,(P P ?入表示,則有：,(P P ?入，(Pi Pi ? 入，(Bi Bi = (14 ? S 入一JIT,(P P ?入那么，經(jīng)過改正的用戶坐標(biāo) 與用戶的真位置,(OOP P ?入,(P P ? 之間? 的誤差也是一個隨機量。,(P P ?入? , (OOP P P P ? 入入-=,(Bi Pi Bi PiS ? S ? 3入3 入-(15于是其數(shù)學(xué)期望值為：B P B B P P P P m m E E E -=

19、-=? ( ( , (S ?SXS ?SX ?X(162c2,(,(P P P P E E?入?X ?-?方差為:=BPP B ccc 222-+ (17由式和看出，當(dāng)基準(zhǔn)站和用戶臺測量誤差的數(shù)(16(17學(xué)期望值越接近，它們的 相關(guān)性越強，方差也越近，則差分精度也越高。在對差分 系統(tǒng)檢驗時，用戶臺可記錄 的點GPS位是經(jīng)過差分改正的式。而此時用戶臺的真位置(1400, P P ?入是不知道的。因此在作業(yè)時，可在一段時間內(nèi)連(,(,(2211P P P P?入？續(xù)記取改正后的位置 將全部，觀測值取中數(shù)，求得 最大或然值，可近似作為真值，即,(00P P?入然后，求出每一個觀測值與此最大或然值之

20、差：,(,(00Pi P Pi P i i ?入入？入-=? (1最后,按下列公式求出經(jīng)度、緯度和位置的 均方誤差。1 (120-=刀n Ni PiP XX(T1 (12刀n N i Pi P 入入(T?1 (cos (1120220-+-=刀刀=n N i Ni Pi P P Pi P P?入入式為差分定位的位置均方誤差公式。(22GPS應(yīng)用差分技術(shù)的系統(tǒng)實例4 GPSITS圖為實際應(yīng)用中采用集中差分 技術(shù)的原理圖。1GPS圖采用集中 差分技術(shù)的原理圖1 GPS每一輛車裝有通用 接收機和通信電臺，調(diào)度中心設(shè)GPS在基準(zhǔn)站位置，坐標(biāo)精確已知，也安裝有通用 接收機、GPS通信電臺和數(shù) 據(jù)處理器、

21、大屏幕顯示器。工作時，各車輛上的接收器將其位置、時間和車輛編號 一同發(fā)送到調(diào)度中GPS心。調(diào)度中心用差分改正數(shù)將其改正，計算出精確坐標(biāo)，經(jīng) 過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，顯示在大屏幕上。利用這種差分 定位系GPS統(tǒng)有如下特點：集中差 分功能可以簡化車輛的設(shè)備，提高1 了工作的可靠性。車輛只接收 信號，不必考慮差 分信號GPS的接收。調(diào)度室集中差分處理，易于顯示、記錄和存檔。2數(shù)據(jù)通信可采用現(xiàn)有的車輛通信設(shè)備，這樣既保留原有的無 線通話，又能進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信，只要 增加通信轉(zhuǎn)換接口即 可，因而節(jié)約了設(shè)備，降低了成本。給每輛車固定編號，3它與 定位信息一同編入電文，按時或按總部指令將其發(fā)送給總部。調(diào)度室據(jù)此可識別車 輛,并顯示在電子地圖上。在電 子地圖上將顯示出各車輛的位置，為調(diào)度和指揮提供 信息。最后介紹一下差分 設(shè)備:應(yīng)用較廣的有在全球建立 GPS的廣域差分 設(shè)備;公司生產(chǎn)的