GPS定位的智能公交服務(wù)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

1、中南大學(xué)碩士學(xué)位論文基于GPS定位的智能公交服務(wù)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 姓名:文雄軍申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專業(yè):模式識(shí)別與智能系統(tǒng)指導(dǎo)教師:危韌勇20070501摘要公共車輛作為廣大市民出行的主要工具,是城市肌體的動(dòng)脈,交 通系統(tǒng)雖然日益發(fā)展,但目前的智能交通系統(tǒng)大都用于商業(yè)運(yùn)營車, 尚未成功地應(yīng)用于公交車輛,傳統(tǒng)的公交系統(tǒng)依然占主要市場(chǎng)。本論 文研究并設(shè)計(jì)了一種基于GPS(Global Positioning System定位的 智能公交服務(wù)系統(tǒng),它包括車載終端與電子站牌兩大部份。車輛利用 GPS技術(shù)得到自身的定位信息來觸發(fā)車載終端進(jìn)行自動(dòng)報(bào)站等服務(wù), 它取代了傳統(tǒng)的人工按鍵報(bào)站的方式,并將這些定位信息

2、通過GPRS 傳與調(diào)度中心并保持實(shí)時(shí)的聯(lián)系,完成向調(diào)度中心匯報(bào)位置和車輛狀 況信息,接收和響應(yīng)中心下發(fā)的命令。調(diào)度中心再將定位信息分發(fā)給 相應(yīng)的電子站牌,電子站牌接到信息及時(shí)更新其顯示信息,從而實(shí)現(xiàn) 完整的自動(dòng)化服務(wù),它與廣大駕駛員及乘客的生活息息相關(guān)。首先智能公交服務(wù)系統(tǒng)是以GPS定位技術(shù)作基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定 位,從而實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化服務(wù),本文詳細(xì)介紹了GPS的定位原理等基 礎(chǔ)知識(shí),但由于GPS定位受到一些地理環(huán)境等因素的影響,GPS有時(shí) 會(huì)發(fā)生丟失,研究了一些補(bǔ)償?shù)姆椒?。然后?duì)車載終端的硬件與軟件進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)。它以C51微處 理器為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。介紹了重要模塊的硬件功能,闡述了選用器件 的

3、原則及本系統(tǒng)選用的重要器件,對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)作了詳細(xì)的電路 設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)采用C語言編程,根據(jù)實(shí)際的需要分析了系統(tǒng)的功能, 介紹了主程序、重要模塊及中斷程序的設(shè)計(jì),考慮了當(dāng)自動(dòng)報(bào)站失效 時(shí)的傳統(tǒng)按鍵報(bào)站方式,而且系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器自我學(xué)習(xí)的功能。 接著對(duì)電子站牌進(jìn)行了一系列的研究與設(shè)計(jì),闡述了其工作原 理,介紹了常用的器件及選取原則。 最終完成了系統(tǒng)的調(diào)試及安裝,實(shí)現(xiàn)了軟件平臺(tái),其操作方便。 關(guān)鍵詞GPS定位,單片機(jī),報(bào)站,按鍵,觸發(fā)ABSTRACTThe transportation system in China is experiencing rapid development.Even t

4、he Intelligent Automatic Transportation System has been applied in commercial transportation.But the public transportation system,which plays a major part in the city transportation service,is still running in the traditional way.In this thesis,an Intelligent Public Transportation Service System bas

5、ed on GPS(Global Positioning System technology iSstudied and designed,including the in-bus terminal and electronic stop board.In the system,a bus locates its position through GPS technology and triggers the in-bus terminal to work automatically, for instance,reporting the bus stop without pressing t

6、he keys.The bus keeps synchronous communication with the Control Center by GPRS, reporting its position and conditions to the Control Center and receiving commands from the Control Center and responding accordingly.And the Control Center sends such information as the position of the bus to the corre

7、sponding electronic stop board,whichthen updates its information on翻:I_een.In this way,the system completes its work automatically.It close relates with the life most ofdrivers and passengers.The thesis discusses the Intelligent Public Transportation Service System(izrssin three parts.Firstly,GPS te

8、chnology as the basis of IPTSS to implement automatic positioning and other intelligent automatic services.This part introduces in detail about GPS positioning mechanism,and also proposes some commoll ways of compensation for the possible loss when GPS is affected by geographic circumstance factors.

9、Secondly,the study and design of the hardware and the software of in-bus terminal in IPTSS.C51microprocessor is used as a c0of the in-bus terminal.This part mainly discusses the hardware functions of the major modules,the principles of choosing units,and the design of electronic circuits in the MCS

10、control system.The soft-ware is edited by C program language.This part analyzes the system functions on a practical basis,and describes the design of the software,including main program,key module and Interrupt program,which keeps traditional keystroke stopreporting in case the automatic stop report

11、ing system fails to work,and the design ofthe system which bears the capacity ofself-learning.Thirdly,the study and design of the electronic stop board.T11is partexplains the operational principles of the electronic stop board,and introduces some common units and the principlesofchoosingthem. To sum

12、 up,a whole set of Intelligent Public Transportation Service System iS completed,and it has been debugged and installed with itssottware work platform constructed,which iSeasy to 0pcrate.KEY WORDS GPS positioning,SCM,stop reporting,keystroke, triggering原創(chuàng)性聲明本人聲明,所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得的成果。盡我所知,

13、除論文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外, 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果,也不包含為獲得 中南大學(xué)或其他單位的學(xué)位或證明而使用過的材料。與我共同工作的 同志對(duì)本研究所作的貢獻(xiàn)已在論文的致謝語中作了明確的說明。名:扯吼半月叢日關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)說明本人了解中南大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定,111:學(xué)校有 權(quán)保留學(xué)位論文,允許學(xué)位論文被查閱和借閱;學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論 文的全部或部分內(nèi)容,可以采用復(fù)印、縮印或其它手段保存學(xué)位論文; 學(xué)?？筛鶕?jù)國家或湖南省有關(guān)部門規(guī)定送交學(xué)位論文。作者簽名暢 嚴(yán)膛日中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 第一章緒論1.1研究背景及目的、意義隨著城市的擴(kuò)建,人

14、們生活節(jié)奏的加快,公共交通問題顯得日益重要,現(xiàn)在 的交通系統(tǒng)也有了很大的發(fā)展,但現(xiàn)有的智能自動(dòng)化系統(tǒng)大都用于私家車與商業(yè) 運(yùn)營車,在公交車輛尚未成功地應(yīng)用,試用品也只是在某些城市開通,并為駕駛 員和乘客考慮較小,在一些功能上還有待完善,所以暫時(shí)并沒有普及市場(chǎng),但公 交車依然還是廣大市民出行的主要交通工具,公共交通系統(tǒng)作為城市交通的主 體,是城市肌體的動(dòng)脈,在大城市交通中,公交車的服務(wù)應(yīng)該盡可能地做到服務(wù) 周到,它的服務(wù)質(zhì)量與市民們的生活息息相關(guān),也是衡量一個(gè)城市的文明指標(biāo)。 而國內(nèi)大多數(shù)城市現(xiàn)有的公交車還是采用傳統(tǒng)的公交系統(tǒng),沒有實(shí)現(xiàn)完全的智能 化,比如自動(dòng)報(bào)站只能由人工按固定的序號(hào)鍵來實(shí)現(xiàn)報(bào)

15、站,離不開駕駛員或售票 員的相應(yīng)操作,進(jìn)站、出站及轉(zhuǎn)彎每次都需要人工的服務(wù),這就大大加重了駕駛 員的工作負(fù)擔(dān),存在一定的安全隱患,有時(shí)出于種種原因,可能存在漏報(bào),錯(cuò)報(bào) 或者干脆不報(bào),給乘客帶來了很大的不便。站牌沒有顯示,乘客等候車輛心理沒 有底.造成乘客在車內(nèi)坐車擔(dān)擾,在車外等車沒底。智能公交服務(wù)系統(tǒng)是目前解決公共交通服務(wù)問題較為有效的手段,另外對(duì)減 少車輛擁擠、提高運(yùn)行的安全性和有效性有著非常重要的意義。它的服務(wù)主要面 對(duì)乘客與駕駛員來進(jìn)行考慮,在人們的出行生活中起著尤為明顯的作用.智能公交服務(wù)系統(tǒng)可以具體描述為:采用全球定位系統(tǒng)(GPs進(jìn)行數(shù)據(jù)采集, 根據(jù)車輛所處的位置進(jìn)行自動(dòng)報(bào)站等服務(wù),

16、并將定位數(shù)據(jù)等信息反饋給調(diào)度中 心,調(diào)度中心再分發(fā)給電子站牌,電子站牌接到信息及時(shí)更新其顯示信息,從而 實(shí)現(xiàn)完整的自動(dòng)服務(wù),實(shí)現(xiàn)公交車輛的自動(dòng)報(bào)站、調(diào)度和指揮,保證車輛的準(zhǔn)點(diǎn) 運(yùn)行,全面的服務(wù),并使出行者能夠通過電子站牌了解車輛的到達(dá)時(shí)刻。這是一種先進(jìn)的公交服務(wù)系統(tǒng),它將電子、控制、計(jì)算機(jī)、通信等高新技術(shù) 集中運(yùn)用于公共交通系統(tǒng),改造舊的服務(wù)模式,建立全新的服務(wù)體系,不但提高 了其服務(wù)質(zhì)量,同時(shí)也將為公交企業(yè)和社會(huì)帶來較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。表現(xiàn)在 以下幾個(gè)方面:較為完美的乘客信息服務(wù).公交是客運(yùn)服務(wù)企業(yè),運(yùn)營組織效率的提高,服 務(wù)質(zhì)量的水準(zhǔn),不單是關(guān)系到公交自身的問題,還直接與駕駛員及乘客的生

17、 活息息相關(guān),是社會(huì)問題.因此,合理、優(yōu)化的公交服務(wù)既為公交帶來效益,中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論更為乘客出行帶來優(yōu)質(zhì)服務(wù)。借助先進(jìn)的定位通信系統(tǒng),即時(shí)為乘客發(fā)布線 路運(yùn)行信息,為乘客出行提供全方位的信息服務(wù)。這是智能公交服務(wù)系統(tǒng)在 公交系統(tǒng)的主要體現(xiàn),也是先進(jìn)的公共交通系統(tǒng)的重要組成部分。減少人工操作,尤其是駕駛員的負(fù)擔(dān),在進(jìn)出站,轉(zhuǎn)彎的關(guān)鍵時(shí)刻,駕駛員 可以更集中精力駕駛,智能公交服務(wù)系統(tǒng)的建立同時(shí)也方便地與調(diào)度中心進(jìn) 行實(shí)時(shí)聯(lián)系?？焖?、靈活的應(yīng)變能力。借助定位系統(tǒng)得到的信息、通過輔助調(diào)度系統(tǒng)提供 的預(yù)案支持,提高調(diào)度員的處理能力。特別是處理要求公交脫線運(yùn)營的突發(fā) 事件、異常情況、或有

18、組織的重大活動(dòng)的能力有所加強(qiáng)。提升城市形象,提高國際競(jìng)爭(zhēng)力,公共交通是城市文明的窗口,先進(jìn)的公交 信息系統(tǒng)的實(shí)施,必然提高公共交通的整體服務(wù)水平,提高城市的現(xiàn)代化程 度,快速、安全、便捷的公共交通對(duì)于可以改善投資軟環(huán)境也具有重要作用。 它可以吸引投資,提升城市形象,提高國際競(jìng)爭(zhēng)能力.帶動(dòng)其它相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。先進(jìn)的公交信息系統(tǒng)的建設(shè)將帶動(dòng)相關(guān)電子、通信、計(jì)算機(jī)等產(chǎn)品的出現(xiàn), 這將為社會(huì)培育新的產(chǎn)業(yè),提供新的就業(yè)機(jī)會(huì)。根據(jù)美國發(fā)展智能交通系統(tǒng)的分 析,智能交通系統(tǒng)對(duì)社會(huì)發(fā)展的影響是比較大的,美國依靠其先進(jìn)的交通運(yùn)輸系 統(tǒng)使得近幾年來運(yùn)輸業(yè)每年產(chǎn)值約占美國國內(nèi)生產(chǎn)總值的11%唧嗍.先進(jìn),實(shí)用,經(jīng)濟(jì)性

19、.智能公交服務(wù)系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分,同樣會(huì)由于帶動(dòng)相 關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益.吸引了大量客流,使得公交運(yùn)營企業(yè)取得 良好經(jīng)濟(jì)效益。它對(duì)提升公交運(yùn)營效率和管理水平,提升城市公眾信息服務(wù)水平, 美化城市形象以及為城市交通規(guī)劃提供輔助決策支持都具有極其重要的作用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀日本是研究智能交通最早的國家,已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段,于1973年開始了 為期6年的ITS路線引導(dǎo)計(jì)劃,剛開始所采用的技術(shù)方案是埋在地下的電感環(huán)行 天線,并成立了全國性ITS推進(jìn)組織,現(xiàn)在基本實(shí)現(xiàn)覆蓋全國的電子地圖的繪制, 后來應(yīng)用了GPS定位來實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化,現(xiàn)在覆蓋率達(dá)80%,并計(jì)劃于2010年

20、 要全部實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)輸系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)嘲。其中GPS定位又進(jìn)一步推動(dòng)了智能交通 系統(tǒng)的發(fā)展,GPS是美國在20世紀(jì)70年代開始研制的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),很2中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論多國家相繼利用GPS定位實(shí)現(xiàn)智能交通化,日本的豐田、松下等公司都己開發(fā)出 自己的車載導(dǎo)航產(chǎn)品嘲嘲。另外國外一些發(fā)達(dá)國家就在進(jìn)行城市智能交通的研究 和開發(fā),他們現(xiàn)在公共交通使用的技術(shù)非常先進(jìn)的,GPS技術(shù)在車輛中的使用普 及率比較高,但應(yīng)用于公交車輛相對(duì)減少,一些智能的交通系統(tǒng)應(yīng)用非常發(fā)達(dá)。 在ITS技術(shù)的應(yīng)用方面積累了許多成功的經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國發(fā)展很有借鑒意義,但公交 技術(shù)有待研發(fā),再說各國的國情不同,并且由于智能公交

21、系統(tǒng)有著強(qiáng)烈的本地特 色,例如當(dāng)?shù)氐木W(wǎng)絡(luò)狀況和地圖信息都不盡相同,使許多國外智能公交系統(tǒng)產(chǎn)品 不能簡(jiǎn)單的應(yīng)用于中國“”H51。國內(nèi)將GPS應(yīng)用于車輛定位導(dǎo)航和管理從90年代開始,至今已有十來年的 時(shí)間,從90年代開始,最先出現(xiàn)在公務(wù)車輛和特種車輛,上海則在出租車行業(yè) 建立了全行業(yè)的GPS調(diào)度系統(tǒng),GPS智能交通服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用走過了一條極其起伏 而緩慢發(fā)展的道路。至少已有兩次起落。1994-1995年間是第一波,當(dāng)時(shí)有上百 家公司都來搶占智能交通系統(tǒng)的市場(chǎng),其中不乏有幾家頗具經(jīng)濟(jì)實(shí)力的公司,但 真正成功者不多“”。究其原因不外乎兩個(gè):一是市場(chǎng)尚未形成,用戶還沒有迫切 需求;二是技術(shù)尚不完善,做成的

22、大多是試驗(yàn)室里剛出籠的,還達(dá)不到商品化程 度的產(chǎn)品.鑒于上述原因,產(chǎn)品用戶一直上不了量,形不成規(guī)模。致使從事智能 交通系統(tǒng)的公司絕大多數(shù)造成虧損,不少公司只好退出這個(gè)行業(yè)。1996-1998年期間,正是智能交通系統(tǒng)市場(chǎng)的整頓鞏固、充實(shí)、提高的時(shí)期, 在對(duì)原有不良系統(tǒng)進(jìn)行改造的同時(shí),還有一些新的系統(tǒng)在建立,從而在三、四十 個(gè)城市建成了金融車輛和公安車輛監(jiān)控系統(tǒng),裝車總量為三千輛左右,耗資近一 億元人民幣。使用車載GPS接收器進(jìn)行定位,可按要求在車輛用戶與服務(wù)中心進(jìn) 行無線傳輸。1999年開始智能交通系統(tǒng)市場(chǎng)又出現(xiàn)了新的一波,出現(xiàn)了快速 增長(zhǎng)的勢(shì)頭,這時(shí)的市場(chǎng)逐步趨于成熟,我國的智能交通系統(tǒng)的技術(shù)

23、有了較大的 提高和發(fā)展,問題是市場(chǎng)上真正成為工業(yè)品的產(chǎn)品不多,入網(wǎng)的車輛大多為私家 車或特種車。而且有一些急于求成的公司把不太成熟的產(chǎn)品推向市場(chǎng),可能對(duì)智 能交通系統(tǒng)市場(chǎng)造成一定的負(fù)面影響,并且還尚未成功地用于公交車輛。現(xiàn)在我 國正研究自己的智能公交系統(tǒng)【鷂】。目前,我國好多城市都建立了智能公交調(diào)度系統(tǒng),如廣州、重慶,北京、青 島等等,但都是開的實(shí)驗(yàn)線路,處在實(shí)驗(yàn)階段.其系統(tǒng)絕大部分采用了GPS定位 技術(shù),車與調(diào)度中心的通信方式大多采用GPRS方式,車與站臺(tái)之間基本上沒有 交互.該系統(tǒng)國內(nèi)有好多公司在研發(fā),深圳華強(qiáng)、深圳賽格、深圳新星遠(yuǎn),蘇炳 聚合數(shù)碼、大連至達(dá)、青島海信等等.目前的智能公交系

24、統(tǒng)功能不夠完善,在車中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論輛服務(wù)、安全、顯示與診斷、車載網(wǎng)絡(luò)及廣告娛樂設(shè)施方面存在功能欠缺,可靠 性差、集成度不高、定位精度低且網(wǎng)絡(luò)服務(wù)跟不上,難以形成人、車、路的協(xié)調(diào) 統(tǒng)一,還達(dá)不到市場(chǎng)的需求,可靠性不高,比如駕駛員老注意GPS接受顯示器及 自動(dòng)報(bào)站是否正常,這與人工按鍵服務(wù)一樣分散了駕駛員的精力。另外GPS是一 種無線電衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),需要對(duì)衛(wèi)星有直接可觀測(cè)性,在城市高樓區(qū)、林蔭道、 涵洞等地方可能導(dǎo)致GPS定位信號(hào)的暫時(shí)中斷;而因墻體或山的側(cè)面所造成的 多路徑效應(yīng),GPS接收機(jī)同樣也無法識(shí)別,可能導(dǎo)致較大的偏差,因而智能公交 系統(tǒng)還有待作進(jìn)一步的研究洶1。北京、上

25、海、深圳、廣州、杭州、大連、成都、青島和南京等城市都已認(rèn)識(shí) 到公共交通智能化調(diào)度系統(tǒng)的重要性,開始逐步開發(fā),正在試驗(yàn)之中。為了開發(fā) 系統(tǒng),開拓市場(chǎng),做論文期間搜集并作了一些調(diào)查,調(diào)查情況具體見表1-1。表1-t我國主要城市公交系統(tǒng)試用情況車與站臺(tái) 車與中心 中心與站臺(tái) 序號(hào) 城市 開通時(shí)間 采用的技術(shù)通信方式 通信方式 通信方式 2002.106PS+調(diào)頻無線廣 無 不詳 無線廣播 l 北京2005.2播DsRc GPRS DSRC GPRS GPI酷 廣州 GPRS、6PS、 GPS信息通過22003.8無 GPRS GIS等技術(shù) GP腦上報(bào)GP腦、6Ps、 GPS信息通過3深圳 2006無

26、 GPRS GIS等技術(shù) GPRS上報(bào)電信寬帶AISL 6PS信息上報(bào),4杭州 2004.1無 ADSL寬帶有線 技術(shù)和GPS 具體方式待查5上海 1998.9GPS+ 無 C啪 cDPD 6天津 不詳 GPS+電臺(tái) 無 不詳 電臺(tái) 7成都 2003.11GPRS或GSM 無 GPRS或6SM 不詳 8青島 2003GPS、GPRS、GIS 無 GPRS GPRS 9南京 2004.1. GPS、GPPS、GIS 無 GPRS ADsL 10重慶 2004.106PS,GPPS、GIS 無 GPRS GPIlS 從市場(chǎng)調(diào)查看,公交信息化已逐步被社會(huì)接收和認(rèn)可,它遲早會(huì)取代傳統(tǒng)的 公交系統(tǒng),市場(chǎng)

27、需要這樣的產(chǎn)品。從市場(chǎng)容量分析,特大型城市平均5000個(gè)車 站、10000輛以上公交車規(guī)劃,大型城市平均2000個(gè)車站、4000輛公交車的規(guī) 4中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論模;中型城市300個(gè)車站、600輛車的規(guī)模,市場(chǎng)巨大洲.因而智能公交系統(tǒng)服務(wù)系統(tǒng)會(huì)有很好的經(jīng)濟(jì)市場(chǎng),它顯示出強(qiáng)大的生命力和 廣闊的應(yīng)用前景。1.3論文主要工作及結(jié)構(gòu)安排本論文對(duì)智能公交服務(wù)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)做了探討,并以國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀系統(tǒng)為 對(duì)比分析,結(jié)合國內(nèi)城市的實(shí)際需要,主要面向乘客及駕駛員的服務(wù)進(jìn)行考慮, 提出了基于GPS定位實(shí)現(xiàn)技術(shù),設(shè)計(jì)出一套智能公交服務(wù)系統(tǒng),包括車載終端與 電子站牌的設(shè)計(jì),為降低成本,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化

28、,使用低廉的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。 論文的主要工作及結(jié)構(gòu)安排如下:第一章為概述,介紹了系統(tǒng)開發(fā)的背景及意義、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,提出了系 統(tǒng)需要解決的主要問題,并介紹了論文的組織結(jié)構(gòu)以及研究的內(nèi)容.第二章為智能公交服務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所需要的技術(shù)支持的理論基礎(chǔ):GPS定位技 術(shù)基礎(chǔ),介紹了GPS的發(fā)展,應(yīng)用,分類及定位原理,分析了GPS誤差的來源, 考慮了當(dāng)GPS丟失時(shí)的補(bǔ)償方案。第三章為智能公交服務(wù)系統(tǒng)的硬件研究與設(shè)計(jì),對(duì)其功能進(jìn)行了需求分析, 介紹了系統(tǒng)的基本原理,基本組成結(jié)構(gòu),本系統(tǒng)所選用的芯片及各部件實(shí)現(xiàn)的功 能.重點(diǎn)介紹了公交車自動(dòng)報(bào)站模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).第四章為智能公交服務(wù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),將主程序

29、及主要的程序設(shè)計(jì) 思想一一列出并列出了流程圖,而且系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器學(xué)習(xí)的功能。 。 第五章為系統(tǒng)的電子站牌的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),對(duì)電子站牌進(jìn)行了需求分析,介紹 了電子站牌的分類及組成。第六章是結(jié)論與展望。對(duì)全文進(jìn)行總結(jié),對(duì)已完成的工作及今后有待研究解 決的問題進(jìn)行了闡述。5中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章GPS系統(tǒng)的定位原理與基礎(chǔ) 第二章GPS系統(tǒng)的定位原理與基礎(chǔ)2.1GPS概述GPS(Global Positioning System中文稱全球定位系統(tǒng),GPS全球定位系統(tǒng) 是近年來迅速發(fā)展起來的一種衛(wèi)星定位導(dǎo)航方式,是70年代美國國防部發(fā)展的 第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它可以提供全球范圍內(nèi)的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù),用戶實(shí)

30、時(shí)接收衛(wèi) 星發(fā)出的星歷,可以推算出用戶當(dāng)前的位置、速度和時(shí)間等定位信息。是新一代 的導(dǎo)航定位系統(tǒng).它能夠?yàn)槿蛉我獾攸c(diǎn)、任意多個(gè)用戶同時(shí)提供高精度、全天 候、連續(xù)、實(shí)時(shí)的三維定位、測(cè)速和時(shí)間基準(zhǔn),它在智能公交系統(tǒng)中,起到定位 的作用,其定位精度比較高,并且具有成本較低、系統(tǒng)覆蓋面廣、使用維護(hù)費(fèi)用 低、通訊可靠等特點(diǎn).它是由2l顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成的實(shí)用系 統(tǒng)。這些星分布在互成60度的6個(gè)軌道平面上,每個(gè)軌道平面平均分布3顆衛(wèi) 星。這樣,對(duì)于地球任何位置,均能同時(shí)觀測(cè)到4顆衛(wèi)星“m。GPS在各行領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛,比如測(cè)量,航空等.它應(yīng)用于智能公交系統(tǒng) 是用來準(zhǔn)確定位公交車輛的位置,車

31、輛根據(jù)GPS定位數(shù)據(jù)來進(jìn)行自動(dòng)服務(wù)。GPS 在車輛定位時(shí)的優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面:l、具有全球性、連續(xù)性,定位精度較高、誤差有界、成木較低等優(yōu)點(diǎn)。 2、安裝相對(duì)方便。雖然GPS的天線安裝也有一些技術(shù)要求,但其安裝是在 車上,有充裕的時(shí)間,可以隨時(shí)調(diào)整.實(shí)踐證明,GPS的天線安裝十分簡(jiǎn)便,用 夾子安裝在車窗外即可,收到衛(wèi)星的效果很好,GPS精度可以滿足檢測(cè)要求. 3、信息量豐富,使用GPS對(duì)定位的精度和定位自動(dòng)化程度的提高十分有利。 GPS不僅提供位置如經(jīng)度、緯度和高度信息,也提供速度、時(shí)間等等信息。有效 利用這些信息可以使系統(tǒng)的功能更完善。4,利用GPS系統(tǒng)的位置信息定位不存在累計(jì)誤差。定位精度高

32、。這樣避免 人工的里程修正,使系統(tǒng)的操作更加簡(jiǎn)便。5、地面GPS接收設(shè)備類型豐富,有各種類型的功能各異的GPS接收機(jī)產(chǎn)品, 用于測(cè)量的。用于導(dǎo)航的等等。6、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,利用這種技術(shù)只需要一個(gè)GPS接收機(jī)便可以了。缺點(diǎn):定位精度依賴于定位衛(wèi)星的數(shù)日,這個(gè)數(shù)目依賴于地理環(huán)境。6公交車載終端利用GPS信息完成定位功能,根據(jù)定位完成自動(dòng)報(bào)站等服務(wù), 解釋如下:l、自動(dòng)報(bào)站原理車載終端的CPU讀取經(jīng)配置存儲(chǔ)于EEPROM中的站臺(tái)信息(經(jīng)緯度坐標(biāo)值、 站臺(tái)序號(hào)和站名等,同時(shí)接收GPS接收機(jī)傳過來的位置、時(shí)間、速度等即時(shí)信 息,將有效的GPS信息與站臺(tái)位置信息進(jìn)比較、計(jì)算,判斷車輛的當(dāng)前位置和到 站、出站情況

33、,通過語音和顯示(LcD/LED屏向車內(nèi)乘客報(bào)站。2、向中心匯報(bào)位置和車輛狀況信息車載終端在工作過程中定時(shí)向調(diào)度中心發(fā)送GPS數(shù)據(jù)、報(bào)告當(dāng)前位置,根據(jù) GPS數(shù)據(jù)來判斷到達(dá)站臺(tái)或離開站臺(tái)的情況時(shí),向調(diào)度中心發(fā)送到站或出站消 息,調(diào)度中心又將其分發(fā)給電子站牌,電子站牌接到消息及時(shí)響應(yīng)作出相應(yīng)的顯 示服務(wù).綜上所述,車載終端與電子站牌的服務(wù)都離不開GPS的定位信息,作出服務(wù) 響應(yīng)的依據(jù)是GPS信息,傳送的數(shù)據(jù)也包括GPS數(shù)據(jù),智能公交服務(wù)系統(tǒng)的研究 與設(shè)計(jì)是建立在GPS的基礎(chǔ)上展開的。2.2GPS組成GPS由三個(gè)獨(dú)立的部分組成:空間部分GPS衛(wèi)星星座地面控制部分一地面監(jiān)控系統(tǒng)用戶設(shè)備部份_GPS信

34、號(hào)接收機(jī)叫.1GPS衛(wèi)星星座GPS衛(wèi)星星座由2l顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座,記 作(21+3GPS星座。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi),軌道傾角為55度, 各個(gè)軌道平面之間相距60度,即軌道的升交點(diǎn)赤道各相差60度。每個(gè)軌道平面 內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差90度,一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平 面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30度。在兩萬公里高空的GPS衛(wèi)星,當(dāng)?shù)厍驅(qū)阈莵碚f自 轉(zhuǎn)一周時(shí),它們繞地球運(yùn)行二周,即繞地球一周的時(shí)為12恒星時(shí).對(duì)于地面觀測(cè)者來說,每天將提前4分鐘見到同一顆GPS衛(wèi)星。位于地平線 以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時(shí)間和地點(diǎn)的不同而不同,最少可見到4顆,最多可見到

35、11顆。在用GPS信號(hào)導(dǎo)航定位時(shí),為了計(jì)算觀測(cè)站的三維坐標(biāo),必須觀測(cè)4顆7中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章GPS系統(tǒng)的定位原理與基礎(chǔ)GPS衛(wèi)星,稱為定位星座。這4顆衛(wèi)星在觀測(cè)過程中的幾何位置分布對(duì)定位精度 有一定的影響。對(duì)于某地某時(shí),甚至不能測(cè)得精確的點(diǎn)位坐標(biāo),這種時(shí)間段叫做 “間隙段”.但這種時(shí)間間隙段是很短暫的,并不影響全球絕大多數(shù)地方的全天候、高精度、連續(xù)性與實(shí)時(shí)性嘲1“。2地面監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于導(dǎo)航定位來說,GPS衛(wèi)星是一動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)。衛(wèi)星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射 的星歷(描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)及其軌道的參數(shù)算得的。每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷,是 由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常工作,以及衛(wèi)星是否

36、一直沿 著預(yù)定軌道運(yùn)行,都要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。地面監(jiān)控系統(tǒng)另一重要作用 是保持各顆衛(wèi)星處于同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),即GPS時(shí)間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測(cè)出 各顆衛(wèi)星的時(shí)間,求出鐘差,然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星,衛(wèi)星再由導(dǎo)航電文發(fā) 給用戶設(shè)備。GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè) 監(jiān)測(cè)站組成跚“2。3GPS信號(hào)接收機(jī)GPS信號(hào)接收機(jī)的任務(wù)是:能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè) 衛(wèi)星的信號(hào)。并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行。對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換,放大 和處理,以便測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間,解譯出GPS衛(wèi) 星所發(fā)送的導(dǎo)航電文,實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)站的三維位置,位

37、置,甚至三維速度和時(shí) 間。GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào),是一種可供無數(shù)用戶共享的信息資源。對(duì)于 陸地、海洋和空問的廣大用戶,只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、交換和測(cè)量GPS 信號(hào)的接收設(shè)備,即GPS信號(hào)接收機(jī).GPS接收機(jī)主要由GPS接收機(jī)天線,GPS接收機(jī)主機(jī)及電源組成。GPS模 塊用于接收GPS衛(wèi)星的信號(hào),并計(jì)算出車載終端目前所在位置。接收機(jī)主機(jī)由 變頻器、信號(hào)通道、微處理器和存儲(chǔ)單元及顯示器組成嗍矧。GPS接收機(jī)通過串 行口向主控制器發(fā)送定位坐標(biāo);主控制器也可以向GPS接收機(jī)發(fā)送設(shè)置命令, 以控制GPS接收機(jī)的狀態(tài)和工作方式。GPS接收機(jī)需要配備專門的GPS天線接 收GPS衛(wèi)星信號(hào)。一般在比

38、較開闊的地區(qū),需接收到三顆以上的GPS衛(wèi)星信號(hào) 才能進(jìn)行準(zhǔn)確定位。在車載GPs智能終端系統(tǒng)中,把天線放置在車頂可以有比 較好的定位效果。車載型接收機(jī)屬于導(dǎo)航型接收機(jī),這種接收機(jī)主要用于運(yùn)動(dòng)物體的導(dǎo)航,它 既可以實(shí)時(shí)給出物體的位置和運(yùn)行速度。也可以引導(dǎo)載體到達(dá)預(yù)定目標(biāo)。這種接 收機(jī)都是采用C/A碼偽距測(cè)量,動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位方式。這種接收機(jī)價(jià)格便宜,應(yīng) 用也廣泛。導(dǎo)航型接收機(jī)另外還有航海型和航空型。GPS接收機(jī)一般用蓄電池做電源。同時(shí)采用機(jī)內(nèi)機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī) 內(nèi)電池的目的在于更換外電池時(shí)不中斷連續(xù)觀測(cè).在用機(jī)外電池的過程中,機(jī)內(nèi)中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章GPS系統(tǒng)的定位原理與基礎(chǔ)電池自動(dòng)充電

39、。關(guān)機(jī)后,機(jī)內(nèi)電池為RAM存儲(chǔ)器供電,以防止丟失數(shù)據(jù)。近幾 年,國內(nèi)引進(jìn)了許多種類型的GPS測(cè)地型接收機(jī)。測(cè)地型接收機(jī)用于精密相對(duì)定位時(shí),其雙頻接收機(jī)精度可達(dá)5mm,單頻接 收機(jī)在一定距離內(nèi)精度可達(dá)l 0ram。用于差分定位其精度可達(dá)分米級(jí)至厘米級(jí)。 目前,各種類型的GPS接收機(jī)體積越來越小,重量越來越輕,便于野外觀測(cè)嘲。 公交定位系統(tǒng)精度只需要達(dá)到10m即可。本系統(tǒng)采用的接收機(jī)可以達(dá)到其 要求。2.3全球衛(wèi)星定位的基本原理GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù), 采用空間距離后方交會(huì)的方法,確定待測(cè)點(diǎn)的位置.定位就是確定信息、事物、目標(biāo)發(fā)生的時(shí)間和空間位置。因此,

40、定位之前必 須先要確定時(shí)問參考點(diǎn)和位置參考點(diǎn),這也就是要建立時(shí)間參考坐標(biāo)系統(tǒng)和位置 參考坐標(biāo)系統(tǒng)。時(shí)間與空間參考坐標(biāo)系統(tǒng)的建立,一直就是測(cè)繪界和天文界最前 沿的理論與技術(shù)研究方向,目前仍然在不斷發(fā)展之中。在時(shí)間和坐標(biāo)系系統(tǒng)建立 的基礎(chǔ)上,然后再探討如何在某個(gè)參考系統(tǒng)內(nèi)確定事件、信息、耳標(biāo)的具體位置 和時(shí)間。GPS定位方式可以分為絕對(duì)定位與相對(duì)定位方式兩種。參考坐標(biāo)系統(tǒng)建立后的定位闖題,而參考坐標(biāo)系的建立和維持一方面有一套 獨(dú)立的理論和技術(shù),另一方面也可以看成是定位技術(shù)的一個(gè)應(yīng)用。在實(shí)際工作中, 我們把直接確定信息、事件和目標(biāo)相對(duì)于參考坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)位置測(cè)量稱之為絕 對(duì)定位,而把確定信息、事件和

41、目標(biāo)相對(duì)于坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)另一已知或相關(guān)的信息、 事件和目標(biāo)的坐標(biāo)位置關(guān)系稱之為相對(duì)定位.應(yīng)用GPS進(jìn)行絕對(duì)定位,根據(jù)用戶接收機(jī)天線所處的狀態(tài)不同,又可分為 動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位和靜態(tài)絕對(duì)定位。 當(dāng)用戶接收設(shè)計(jì)安置在動(dòng)動(dòng)的載體上,并處于動(dòng)態(tài)的情況下,確定載體瞬時(shí) 絕對(duì)位置的定位方法,稱為動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位。動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位,一般只能得到?jīng)]有(或 很少多余觀測(cè)量的實(shí)時(shí)解。這種定位方法,被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、船舶以及陸地 車輛等動(dòng)動(dòng)載體的導(dǎo)航.另外,在航空物探和衛(wèi)星遙感等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前 景.目前,無論是動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位還是靜態(tài)絕對(duì)定位,所依據(jù)的觀測(cè)量都是所測(cè)衛(wèi) 9中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章GPS系統(tǒng)的定位原理與基礎(chǔ)得至觀

42、測(cè)站的偽距,所以,相應(yīng)的定位方法通常也稱為偽距法。絕對(duì)定位的優(yōu)點(diǎn)是,只需一臺(tái)接收機(jī)便可獨(dú)立定位,觀測(cè)的組織與實(shí)施簡(jiǎn)便, 數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單,。一般來說,絕對(duì)定位的概念比較抽象,涉及的技術(shù)比較復(fù)雜,定位精度也難 以達(dá)到很高,而相對(duì)定位概念比較直觀具體,實(shí)現(xiàn)的技術(shù)較為簡(jiǎn)單、直接,高精 度也容易實(shí)現(xiàn)一些。例如,利用望遠(yuǎn)鏡和測(cè)角設(shè)備的經(jīng)緯儀測(cè)量北極星的高度角 可以確定某一點(diǎn)在地球上的緯度,測(cè)量同一個(gè)恒星過格林尼治天文臺(tái)和當(dāng)?shù)氐臅r(shí) 問差可以確定經(jīng)度,是一種絕對(duì)定位。其最高精度一般可以達(dá)到0.5see左右,相 當(dāng)于地球上lSm的范圍。用雷達(dá)測(cè)量運(yùn)動(dòng)的飛機(jī)的方位角和雷達(dá)與飛機(jī)甸的斜 距和高度角是相對(duì)定位測(cè)量的例子

43、.類似于雷達(dá)的全站儀是由激光來測(cè)量?jī)x器至 目標(biāo)的距離,用精密電子設(shè)備測(cè)量?jī)x器至目標(biāo)的方位角和高度角,其相對(duì)定位的 精度可高達(dá)1-2個(gè)毫米.相對(duì)定位技術(shù)上較易實(shí)現(xiàn),通過相對(duì)定位的方式,在己 知某目標(biāo)絕對(duì)定位結(jié)果的情況下,也可以獲得新目標(biāo)的絕對(duì)定位位置嘲嗍.GPS定位的基本原理是通過不問斷的接收衛(wèi)星發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)同 信息,把高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù),采用空間距離后方交會(huì) 的方法,經(jīng)過計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置,三維方向以及運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間信息. GPS定位的基本幾何原理為三球交會(huì)原理:如果用戶到衛(wèi)星s1的真實(shí)距離 為Rl,那么用戶的位置必定在以sl為球心,Rl為半徑的球面Cl上

44、;同樣,若 用戶到衛(wèi)星s2的真實(shí)距離為R2,那么,用戶的位置也必定在以s2為球心,R2為半徑的另一球122上,用戶的位置既在球cl上。又在球C2上,那它必定處 在cl和c2這兩球面的交線Ll上。類似地,如果再有一個(gè)以衛(wèi)星s3為球心, R3為半徑的球C3,那用戶的位置也必定在C2和C3這兩個(gè)球面的交線L2上. 用戶的位置既在交線L1上,又會(huì)在交線L2上,它必定在交線Ll和L2的交點(diǎn) 上m。GPS系統(tǒng)定位的代數(shù)原理如圖2.1所示。lO中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章GPS系統(tǒng)的定位原理與基礎(chǔ)圖2-1三顆衛(wèi)星的狀態(tài)圖用戶接收機(jī)與衛(wèi)星之聞的距離為R,坐標(biāo)組合(xl,yl,Jzl,(x2,y2,z2和(x

45、3,y3,z3是三顆衛(wèi)星的已知位置;可得以下代數(shù)方程式:Rffi.、/(xl一曲2+OlJ,2+(zl一:2(2.1r:=R=4(x2一妒+(,2一,2+(z2一z2(2.2r。t:Rffi4(x3一曲2+(,3一力2+03一力2(2.3式中,R為衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離;xl,yl,zl表示衛(wèi)星位置的三維坐標(biāo)值; x,y,z表示用戶(接收機(jī)位置的三維坐標(biāo);其R,】【1,yl,zl是已知量,x,y,z是未 知量。三個(gè)方程三個(gè)未知量就可以定出接收機(jī)的位置,即要求的x,y,z.從上面的分析看出,從原理上說,有三個(gè)衛(wèi)星至測(cè)站的距離,就可實(shí)現(xiàn)三維 坐標(biāo)的定位。實(shí)際上,用戶接收機(jī)一般不可能有十分準(zhǔn)確的時(shí)鐘

46、,它們也不與衛(wèi)星鐘準(zhǔn)確 同步,因此用戶接收機(jī)測(cè)量得出的衛(wèi)星信號(hào)在空間的傳播時(shí)間是不準(zhǔn)確的,計(jì)算 得到的距離也不是用戶接收機(jī)和衛(wèi)星之間的真實(shí)距離,這種距離叫做偽距離。利 用第四顆衛(wèi)星作參考衛(wèi)星,假設(shè)用戶接收機(jī)在接收衛(wèi)星信號(hào)的瞬間,接收機(jī)的時(shí) 鐘與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所用時(shí)鐘的時(shí)間差為t則上面公式將改成為R-(訂一曲2+Ol-y2+(zl-z2+ct (2-4R=-(x2一砷2+o,2-y2+(z2-z2圮t (2-5R:(婦一曲2+O3一力2+(z3-z2+t2t(2-6R=(“一曲2+O,4一y2+(z4一z2+cAt(27式中c表示電磁波傳播速度;t是未知數(shù)。其中(x1,yl,z1, (x 2,y2

47、,z2,(x3,y3,z3和(X4,y4,Z4是衛(wèi)星的已知位置;只要接收機(jī)能測(cè)出距四 顆衛(wèi)星的偽距,便有四個(gè)這樣的方程,把它們聯(lián)立起來,便可以解出四個(gè)未知量中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章GPS系統(tǒng)的定位原理與基礎(chǔ)x,Y,Z和A t,即能求出接收機(jī)的位簧和準(zhǔn)確的時(shí)間。當(dāng)用戶不運(yùn)動(dòng)時(shí),由于衛(wèi)星在運(yùn)動(dòng),在接收機(jī)的衛(wèi)星信號(hào)中會(huì)有多普勒頻移。 這個(gè)頻移的大小和正負(fù)是可以根據(jù)衛(wèi)星的星歷和時(shí)間,以及用戶本身的位置算出 來的。如果用戶本身也在運(yùn)動(dòng),則這個(gè)多普勒頻移便要發(fā)生變化,其大小和正負(fù) 取決于用戶的速度與方向。根據(jù)這個(gè)變化,用戶便可以算出自己的三維運(yùn)動(dòng)速度, 這就是GPS測(cè)速的基本原理。另一種求解用戶速度的

48、方法是:知道用戶在不同時(shí) 間的三維位置,用三維位置的差除以所經(jīng)過的時(shí)間,求解用戶的三維運(yùn)動(dòng)速度呻】【卜【3習(xí)以上定位原理說明,用GPS技術(shù)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)三維定位與接收機(jī)時(shí)聞的定 時(shí)。一般來說,利用C/A碼進(jìn)行實(shí)時(shí)絕對(duì)定位,各坐標(biāo)分量精度在5-10m左右, 三維綜合精度在15-30m左右;利用軍用P碼進(jìn)行實(shí)時(shí)絕對(duì)定位,各坐標(biāo)分量精 度在1-3m左右,三維綜合精度在3-6m左右;利用相位觀測(cè)值進(jìn)行絕對(duì)定位技術(shù) 比較復(fù)雜,目前其實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)各坐標(biāo)分量的精度在O.1-0.3m左右,事后24小時(shí)連續(xù)定位三維精度可達(dá)2-3cm左右.在導(dǎo)航型6PS接收機(jī)中,多采用偽距 定位法。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)車輛定位精度為10m

49、.一般來說,產(chǎn)生GPS衛(wèi)星定位的主要誤差按其來源可以分為以下三類: 1、與衛(wèi)星相關(guān)的誤差軌道誤差:目前實(shí)時(shí)廣播星歷的軌道三維綜合誤差可達(dá)1020m衛(wèi)星鐘差:由廣播星歷的鐘差方程計(jì)算出來的衛(wèi)星鐘誤差一般可達(dá)1020ns, 引起等效距離誤差小于6m.衛(wèi)星幾何中心與相位中心偏差:可以事先確定。2、與接收機(jī)相關(guān)的誤差接收機(jī)安置誤差:即接收機(jī)相位中心與待測(cè)物體目標(biāo)中心的偏差,一般可事 先確定接收機(jī)時(shí)鐘差:接收機(jī)時(shí)鐘與標(biāo)準(zhǔn)的GPS系統(tǒng)時(shí)間之差,一般可達(dá)10一101秒。接收機(jī)信道誤差;信號(hào)經(jīng)過處理信道時(shí)引起的延時(shí)和附加的噪聲誤差。 多路徑誤差;接收機(jī)周圍環(huán)境產(chǎn)生信號(hào)的反射,構(gòu)成同一信號(hào)的多個(gè)路徑入 射天線相

50、位中心,可以采用抑徑板等方法減弱其影響。3、與大氣傳輸有關(guān)的誤差12中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章GPS系統(tǒng)的定位原理與基礎(chǔ) 電離層誤差:501000kin的高空大氣被太陽高能粒子轟擊后電離,即產(chǎn)生大 量自由電子,使GPS信號(hào)產(chǎn)生傳播延遲,一般白天強(qiáng)夜晚弱,可導(dǎo)致載波天 頂方向最大50m左右的延遲量,誤差與信號(hào)載波頻率有關(guān),故可用雙頻或多 頻率信號(hào)予以顯著減弱。流層誤差:由于含水汽和干燥空氣的大氣介質(zhì)中傳播引起的信號(hào)傳播延時(shí), 其影響隨衛(wèi)星高度角、時(shí)間季節(jié)和地理位置的變化而變化,與信號(hào)頻率無關(guān), 不能用雙頻載波予以消除,但可用模型削弱。人們想了很多辦法來削弱和消除上述各種誤差的影響,比如,針對(duì)實(shí)

51、時(shí)廣播 星歷提供的衛(wèi)星坐標(biāo)精度不高的問題,國際上的GPS服務(wù)機(jī)構(gòu)IGS提供了事后 的GPS衛(wèi)星的精密星歷,其軌道坐標(biāo)精度達(dá)3-5cm。同時(shí)也提供衛(wèi)星鐘差、電 離層延遲的精密事后修正數(shù)據(jù),利用這些數(shù)據(jù),人們可以進(jìn)行多種精密定位和定 時(shí)1加”.GPS能夠以不同的定位定時(shí)精度提供服務(wù),從亞毫米、毫米到厘米、分米、 亞米及米和十幾米的定位精度都有可供選擇的定位方法.定時(shí)方面可從亞納秒、 納秒到微秒級(jí)的精度實(shí)現(xiàn)時(shí)間測(cè)量和不同目標(biāo)間時(shí)間同步。在定位的時(shí)問響應(yīng)方 面可以從0.05秒、1秒到十幾秒、幾分、幾個(gè)小時(shí)或幾天來實(shí)現(xiàn)不f司的實(shí)時(shí)性要 求和精確性要求。從相對(duì)定位距離方面看,可從幾米一直到幾千公里之間,實(shí)

52、現(xiàn) 連續(xù)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)定位要求。從工作環(huán)境上看,除了怕被森林、高樓遮擋信號(hào)造 成可見衛(wèi)星少于四顆和強(qiáng)電離層爆發(fā)造成GPS測(cè)距信號(hào)完全失真外,可以說是 全球全連續(xù)和全天候的.這些優(yōu)良的特性,使得它有廣泛用應(yīng)用領(lǐng)域。2.4GPS數(shù)據(jù)丟失的補(bǔ)償方案以上分析了GPS的基本原理,縮小誤差的方法,可是GPS依賴于地理環(huán)境, 當(dāng)在高樓大廈遮擋,GPS信號(hào)會(huì)發(fā)生丟失的現(xiàn)象,在它的盲區(qū)需要及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償, 首先分析盲區(qū)產(chǎn)生的原因和對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響,根據(jù)不同種類的GPS信號(hào)丟失 對(duì)系統(tǒng)影響的不同采取不同的補(bǔ)償措施。車輛在運(yùn)行過程中,不可避免地會(huì)產(chǎn)生GPS數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象,導(dǎo)致這種數(shù) 據(jù)丟失主要有以下幾個(gè)原因。GPS定位

53、技術(shù)要求GPS接收機(jī)所在的位置具備一些基本的定位條件:至少 接收到4顆GPS衛(wèi)星的信號(hào);GPS衛(wèi)星的分布(星座具有一定的幾何形狀限 制,彼此之間應(yīng)具有一定的夾角。而車輛在城市中行駛將不可避免地受到密集的 高樓大廈、樹木、高架橋、隧道的遮擋,特別是在某些樞紐式的總站,由予具有 頂棚,GPS信號(hào)可能被完全屏蔽。從而破壞GPS定位技術(shù)要求的定位條件。這 種原因造成的數(shù)據(jù)丟失的特點(diǎn)是具有很強(qiáng)的地理位置相關(guān)性。GPS定位信息依賴于無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控調(diào)度中心。任何一種無線通信 網(wǎng)絡(luò)都不能保證數(shù)據(jù)100%的準(zhǔn)確無誤傳輸。根據(jù)實(shí)際情況,可能存在以下三種 原因的通信鏈路故障:通信信道保持暢通時(shí)丟失IP包;在

54、無線信號(hào)覆蓋區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)通道的意外斷線;超出網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域。其中第一種通信故障在時(shí)間上和地理位置上都不具備相關(guān)性;第二種存在時(shí) 問上的若干相關(guān)性;第三種與地理位置有很強(qiáng)的相關(guān)性.由于車載終端自身的硬件故障(例如天線開路、供電等問題造成的定位失 效或通信失效導(dǎo)致GPS數(shù)據(jù)的丟失。通常在發(fā)生時(shí)間和發(fā)生地點(diǎn)上沒有規(guī)律。 GPS數(shù)據(jù)丟失無論源于哪種原因,其對(duì)系統(tǒng)的影響按持續(xù)時(shí)間和發(fā)生的地理 位置不同而有所不同。1、根據(jù)GPS數(shù)據(jù)丟失的持續(xù)時(shí)間,可以大致分為短時(shí)間、中等時(shí)間和長(zhǎng)時(shí) 間三種。短期丟失:GPS數(shù)據(jù)丟失的時(shí)間在1分鐘以內(nèi),通常由于IP包丟失或被 高樓短時(shí)間遮擋;中期丟失:GPS數(shù)據(jù)丟失時(shí)間大于1分鐘

55、而小于公交車的一個(gè)單程時(shí)間 (通常為40分鐘90分鐘;長(zhǎng)期丟失:GPS數(shù)據(jù)丟失時(shí)間大于公交車的一個(gè)單程時(shí)間。2、根據(jù)地理位置不同可以將GPS數(shù)據(jù)丟失發(fā)生的地理位置分為敏感區(qū)域和 不敏感區(qū)域。14中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章GPS系統(tǒng)的定位原理與基礎(chǔ)敏感區(qū)域:一公交總站附近:GPS數(shù)據(jù)在公交總站附近丟失如果超過該車輛的停 站時(shí)間,則將造成行車記錄的錯(cuò)誤。一電子站牌附近:GPS數(shù)據(jù)在電子站牌附近的丟失將導(dǎo)致電子站牌到 站預(yù)報(bào)和離站預(yù)報(bào)的直觀錯(cuò)誤。停車場(chǎng)、修配廠、加油站附近:GPS數(shù)據(jù)在停車場(chǎng)、修配廠、加油 站附近丟失將導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)車輛營運(yùn)狀態(tài)作出錯(cuò)誤判斷.不敏感區(qū)域:GPS數(shù)據(jù)在其他位置的非長(zhǎng)期丟失

56、對(duì)系統(tǒng)影響較輕,僅影響車輛的實(shí)時(shí) 監(jiān)控,但中長(zhǎng)期丟失可能會(huì)對(duì)調(diào)度策略產(chǎn)生影響。當(dāng)GPS數(shù)據(jù)發(fā)生丟失時(shí),為了保證公交系統(tǒng)還能正常的進(jìn)行全方面服務(wù), 可以采用一些措施來進(jìn)行補(bǔ)償.本論文分別研究出了硬件與軟件補(bǔ)償?shù)姆桨?硬件補(bǔ)償主要針對(duì)硬件來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償,使公交車輛還能正常的進(jìn)行運(yùn)營,硬件 補(bǔ)償方法有如下幾種:車載終端設(shè)置若干運(yùn)行狀態(tài)按鍵,由駕駛員在執(zhí)行每項(xiàng)任務(wù)(如上行、 下行、加油、保修、報(bào)站、進(jìn)/出站時(shí)按相應(yīng)的按鍵。也即傳統(tǒng)的手工 按鍵報(bào)站方式。車載終端的通信模塊在數(shù)據(jù)通道發(fā)生問題時(shí),啟用備用的數(shù)據(jù)通道(例 如SMS.車載終端具有斷線重?fù)芄δ?能在斷線后以最短的時(shí)間恢復(fù)連接.采用 無線通信方式經(jīng)實(shí)際

57、測(cè)試其重?fù)芤淮纬晒β蔬_(dá)到90%以上.車載終端在具有滾動(dòng)存儲(chǔ)至少1個(gè)運(yùn)營日的定位數(shù)據(jù)的能力。當(dāng)通信中 斷時(shí),數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ),一旦通信恢復(fù),可將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)以壓縮的方式成 批上傳至監(jiān)控調(diào)度中心。當(dāng)GPS數(shù)據(jù)發(fā)生丟失時(shí),系統(tǒng)能獲得關(guān)于丟失的兩個(gè)基本信息:GPS數(shù)據(jù)丟失之前一點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)丟失持續(xù)的時(shí)間中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章GPS系統(tǒng)的定位原理與基礎(chǔ)系統(tǒng)根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)判斷數(shù)據(jù)丟失對(duì)系統(tǒng)影響的嚴(yán)重程度,從而分級(jí)別地采 取響應(yīng)的措施進(jìn)行補(bǔ)償,其處理的一般流程如圖2.2所示。圖2-2軟件補(bǔ)償方案選擇的一般流程預(yù)測(cè)內(nèi)插的算法是基于數(shù)據(jù)丟失點(diǎn)的位置和歷史數(shù)據(jù)(車輛在l天中相同時(shí) 段在相同路段的經(jīng)驗(yàn)速度等進(jìn)行的,算法的描述如下1.1、經(jīng)驗(yàn)速度為在丟失定位數(shù)據(jù)的情況下預(yù)測(cè)車輛的位置,先分析車輛在該路段的速度, 而這一速度通常在路段上是連續(xù)變化的。為此在路段上設(shè)置采樣點(diǎn)。這些采樣點(diǎn) 并不是均勻分布的,而是按照道路交通狀況特點(diǎn)相同的路段歸結(jié)為一個(gè)采樣段, 以不同車輛在每天同一時(shí)刻經(jīng)過該采樣段的最大似然速度作為“經(jīng)驗(yàn)速度”。 由于車輛在每天同一時(shí)刻經(jīng)過特定采樣段的速度并非正態(tài)分布,而傾向于泊 松分布,故經(jīng)驗(yàn)速度并非簡(jiǎn)單的算術(shù)平均速度,而應(yīng)計(jì)算大量車輛按某一特定概 率(例如95%的最大似然速度。如圖2.3所示。16中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章GPS系統(tǒng)的定位原理與基礎(chǔ)-