【文章內(nèi)容簡介】 經(jīng)過的時間，求解用戶的三維運動速度。 以上定位原理說明，用 GPS技術(shù)可以同時實現(xiàn)三維定位與接收機時間的定時。一般來說 ，利用 C/A碼進(jìn)行實時絕對定位，各坐標(biāo)分量精度在 5l0m左右，三維綜合精度在 1530m左右 。利用軍用 P碼進(jìn)行實時絕對定位，各坐標(biāo)分量精度在 13m左右，三維綜合精度在 36m左右 。利用相位觀測值進(jìn)行絕對定位技術(shù)比較復(fù)雜，目前其實時或準(zhǔn)實時各坐標(biāo)分量的精度在 ，事后 24小時連續(xù)定位三維精度可達(dá) 23cm左右。在導(dǎo)航型 GPS接收機中，多采用偽距定位法。本系統(tǒng)設(shè)計時車輛定位精度為 l0m。 畢業(yè)論文 10 GPS衛(wèi)星定位的主要誤差來源 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 : 與衛(wèi)星相關(guān)的誤差 軌道誤差 :目前實時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 與接收機相關(guān)的誤差 接收機安置誤差 :先確定即接收機相位中心與待測物體目標(biāo)中心的偏差，一般可事先確定。 接收機時鐘差 :接收機時鐘與標(biāo)準(zhǔn)的 GPS系統(tǒng)時間之差，一般可達(dá) 65 1010 ?? ? 秒 。 接收機信道誤差 :信號經(jīng)過處理信道時引起的延時和附加的噪聲誤差。 多路徑誤差 :接收機周圍環(huán)境產(chǎn)生信號的反射，構(gòu)成同一信號的多個路徑入射天線相位中心，可以采用抑徑板等方法減弱其影響。 觀測量誤差 :C/A碼偽距偶然誤差，約為 13m, P碼偽距偶然誤差，約為 ，相位觀測值的等效距離誤差，約為 2mm。 與大氣傳輸有關(guān)的誤差 501000km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信號產(chǎn)生傳播延遲，一般白天強 夜晚弱，可導(dǎo)致載波天頂方向最大 50m左右的延遲量，誤差與信號載波頻率有關(guān)，故可用雙頻或多頻率信號予以顯著減弱。 由于含水汽和干燥空氣的大氣介質(zhì)中傳播引起的信號傳播延時，其影響隨衛(wèi)星高度角、時間季節(jié)和地理位置的變化而變化，與信號頻率無關(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，針對實時廣播星歷提供的衛(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) 35cm。同時也提供衛(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。 GPS能夠以不同的定位定時精度提供服務(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。定時方畢業(yè)論文 11 面可從亞納秒、納秒到微秒級的精度實現(xiàn)時間測量和不同目標(biāo)間時間同步。 在定位的時間響應(yīng)方面可以從 、 1秒到十幾秒、幾分、幾個小時或幾天來實現(xiàn)不同的實時性要求和精確性要求。從相對定位距離方面看，可從幾米一直到幾千公里之間，實現(xiàn)連續(xù)的靜態(tài)和動態(tài)定位要求。從工作環(huán)境上看，除了怕被森林、高樓遮擋信號造成可見衛(wèi)星少 于四顆和強電離層爆發(fā)造成 GPS測距信號完全失真外，可以說是全球全連續(xù)和全天候的。這些優(yōu)良的特性，使得它有廣泛應(yīng)用領(lǐng)域。 GPS數(shù)據(jù)丟失的補償方案 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信號會發(fā)生丟失的現(xiàn)象，在它的盲區(qū)需要及時進(jìn)行補償，首先分析盲區(qū)產(chǎn)生的原因和對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，根據(jù)不同種類的 GPS信號丟失對系統(tǒng)影響的不同采取不同的補償措施。 GPS數(shù)據(jù)丟失原因 車輛在運行過程中，不可避免地會產(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 要有以下幾個原因。 GPS定位技術(shù)要求 GPS接收機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， 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，由于具有頂棚， GPS信號可能被完全屏蔽，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)丟失的特點是具有很強的地理位置相關(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)實際情況，可能存在以下三種原因的通信鏈路故障 : IP包 。 。 。 其中第一種通信故障在時間上和地理位置上都不具備相關(guān)性 。第二種存在時間上的若干相關(guān)性 。第三種與地理位置有很強的相關(guān)性。 畢業(yè)論文 12 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)生時間和發(fā) 生地點上沒有規(guī)律。 GPS數(shù)據(jù)丟失無論源于哪種原因，其對系統(tǒng)的影響按持續(xù)時間和發(fā)生的地理位置不同而有所不同。 GPS數(shù)據(jù)丟失的持續(xù)時間，可以大致分為短時間、中等時間和長時間三種。 （ 1）短期丟失 :GPS數(shù)據(jù)丟失的時間在 1分鐘以內(nèi)，通常由于 IP包丟失或被高樓短時間遮 擋 。 （ 2）中期丟失 :GPS數(shù)據(jù)丟失時間大于 1分鐘而小于公交車的一個單程時間 (通常為 40分鐘 90分鐘 )。 （ 3）長期丟失 :GPS數(shù)據(jù)丟失時間大于公交車的一個單程時間。 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 敏感區(qū)域 : （ 1）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間，則將造成行車記錄的錯誤 。 （ 2）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)報和離站預(yù) 報的直觀錯誤 。 （ 3）停車場 、修配廠、加油站附近。 GPS數(shù)據(jù)在停車場、修配廠、加油站附近丟失將導(dǎo)致系統(tǒng)對車輛營運狀態(tài)作出錯誤判斷 。 不敏感區(qū)域 : GPS數(shù)據(jù)在其他位置的非長期丟失對系統(tǒng)影響較輕，僅影響車輛的實時監(jiān)控，但中長期丟失可能會對調(diào)度策略產(chǎn)生影響。 GPS數(shù)據(jù)丟失補償方案 當(dāng) GPS數(shù)據(jù)發(fā) 生丟失時，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)行補償。本論文分別研究出了硬件與軟件補償?shù)姆桨浮? 硬件補償主要針對硬件來實現(xiàn)補償，使公交車輛還能正常的進(jìn)行運營，硬件補償方法有如下幾種 : （ 1）車載終端設(shè)置若干運行狀態(tài)按鍵，由駕駛員在執(zhí)行每項任務(wù) (如上行、下行、加油、保修、報站、邊出站 )時按相應(yīng)的按鍵，也即傳統(tǒng)的手工按鍵報站方式。 （ 2）車載終端的通信模塊在數(shù)據(jù)通道發(fā)生問題時，啟用備用的數(shù)據(jù)通道 (例如 SMS)。 （ 3）車載終端具有斷線重?fù)芄δ?，能在斷線后以最 短的時間恢復(fù)連接。采用無線通信畢業(yè)論文 13 方式經(jīng)實際測試其重?fù)芤淮纬晒β蔬_(dá)到 90%以上。 （ 4）車載終端在具有滾動存儲至少 1個運營日的定位數(shù)據(jù)的能力。當(dāng)通信中斷時，數(shù)據(jù)自動存儲，一旦通信恢復(fù)，可將存儲的數(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，系統(tǒng)能獲得關(guān)于丟失的兩個基本信息 : 系統(tǒng)根據(jù)這兩個參數(shù)判斷數(shù)據(jù)丟失對系統(tǒng)影響的嚴(yán)重程度，從而分級別地采取響應(yīng)的措施進(jìn)行補償，其處理的一般流程如圖 22所示。 硬 件 補 償發(fā) 生 丟 失敏 感 區(qū) 域預(yù) 測 內(nèi) 插中 期 丟 失繼 續(xù) 內(nèi) 插 ， 等待 補 傳長 期 丟 失轉(zhuǎn) 入 正 常 運 行獲 得 補 傳停 止 內(nèi) 插 ， 報故 障 ， 等 待 補傳否否否否否否否否否 圖 22 軟件補償方案選擇的一般流程 畢業(yè)論文 14 預(yù)測內(nèi)插的算法是基于數(shù)據(jù)丟失點的位置和歷史數(shù)據(jù) (車輛在 1天中相同時段在相同路段的經(jīng)驗速度等 )進(jìn)行的，算法的描述如下： 經(jīng)驗速度 為在丟失定位數(shù)據(jù)的情況下預(yù)測車輛的位置，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。這些采樣點并不是均勻分布的，而是按照道路 交通狀況特點相同的路段歸結(jié)為一個采樣段，以不同車輛在每天同一時刻經(jīng)過該采樣段的最大似然速度作為“經(jīng)驗速度”，由于車輛在每天同一時刻經(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)驗速度并非簡單的算術(shù)平均速度，而應(yīng)計算大量車輛按某一特定概率 (例如 95%)的最大似然速度。如圖 2一 3所示。 圖 23 經(jīng)驗速度 經(jīng)驗速度的獲得是一個動態(tài)的不斷進(jìn)行的過程。系統(tǒng)會在整個運行生命周期中根據(jù)實際運行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不斷更新各采樣段的經(jīng)驗速度。 經(jīng)驗速度分布 既然經(jīng)驗速度是大量車輛在每日同一時刻經(jīng)過同一采樣段的最大似然速度，其必然在 1天的時間內(nèi)在不同的采樣段具有某種分布。下面建立一張三維的圖，其 X軸為時間， Y軸為沿線路連續(xù)排列的不同的采樣段， Z軸為各采樣段的經(jīng)驗速度。如圖 24所示。 畢業(yè)論文 15 圖 24 經(jīng)驗速度沿采樣段和時間的分布 由圖中可以看出，不同的采樣段在高峰時段前后有著較低的經(jīng)驗速度 (高峰期車流緩慢 )，車速低峰到來的時間不盡相同，相鄰采樣段具有某種時間上的繼承性等特點。 位置預(yù)測 根據(jù)經(jīng)驗速度的分布，系 統(tǒng)可以在丟失車載終端定位數(shù)據(jù)時 (例如在 20秒以上時間內(nèi)沒有收到同一車輛的定位數(shù)據(jù) )，在一定的時間范圍內(nèi) (例如一個單程時間內(nèi)，車輛到達(dá)線路終點站之前 )，根據(jù)車輛最近一次定位數(shù)據(jù)和沿線的經(jīng)驗速度，預(yù)測車輛的當(dāng)前位置，從而實現(xiàn) GPS定位數(shù)據(jù)的內(nèi)插。從上面的處理方法描述中可以看出，補償方法預(yù)報數(shù)據(jù)的誤差主要來源于以下一些因素 : （ 1）預(yù)先計算的采樣點間隔 。 （ 2）經(jīng)驗速度的計算及其分布 。 （ 3）預(yù)測持續(xù)的時間 。 經(jīng)驗速度的計算和分布由長期歷史數(shù)據(jù)獲得，存在一個機器學(xué)習(xí)的過程。對于系統(tǒng)的實時處理而言，影響誤差大小的最 直接因素是采用預(yù)測算法的持續(xù)時間。當(dāng)預(yù)測點與計算的基點在時間上間隔越長時，預(yù)測結(jié)果就變得越不可信。因此本方案中，當(dāng)預(yù)測持續(xù)的時間超過數(shù)據(jù)丟失點到前方總站的行駛時間 (通常小于單程時間 )時，即停止使用預(yù)測算法，轉(zhuǎn)而依賴數(shù)據(jù)的補傳，或采用傳統(tǒng)的人工服務(wù)，并采取相應(yīng)的維護(hù)措施，檢查是否由于網(wǎng)絡(luò)原因或設(shè)備故障造成數(shù)據(jù)丟失。 小結(jié) 本章主要介紹 GPS的基礎(chǔ)知識，包括定位概念、分類、定位原理、基本組成和 GPS的應(yīng)用等，論述了 GPS在定位時的優(yōu)劣勢，對 GPS定位誤差進(jìn)行了一定的分析，設(shè)計了當(dāng) GPS發(fā)生丟失時的補償方 案。 畢業(yè)論文 16 第三章智能公交服務(wù)系統(tǒng)車載終端的硬件設(shè)計 車載終端的概述 車載終端 (MDT)是安裝在受控車輛上，負(fù)責(zé)信息采集、信息傳送、信息處理、信息接收和車內(nèi)控制的設(shè)備。車載終端是整個公交系統(tǒng)關(guān)鍵的數(shù)據(jù)來源和執(zhí)行手段之一，在整個系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，其工作狀況和功能、性能直接影響到整個系統(tǒng)的運行，是智能公交服務(wù)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。 它的硬件主要包括 :電源模塊或電源接入模塊，單片機 CPU，輔助存儲芯片， GPRS通信模塊， GPS定位模塊 LCD顯示模塊， LED顯示模塊，串口擴展芯片和串口，鍵盤，語音模塊，麥克 風(fēng)電路。 如下圖 31為車載終端總體框圖 : 圖 31車載終端總體框圖 系統(tǒng)設(shè)備的選擇與功能 單片機 CPU是整個車載終端的核心部分，通過各種接口與其它設(shè)備連接，寫入一定的程序，負(fù)責(zé)處理各種事件，比如調(diào)度中心發(fā)來的調(diào)度信息， GPS接收機得來的定位信息處理等等，使整個系統(tǒng)得到正常的運行。根據(jù)單片機電路設(shè)計簡單，面向控制的功能強等特點，綜合了系統(tǒng)總體設(shè)計和上述情況，考慮到系統(tǒng)的最終維護(hù)，應(yīng)該選擇主流產(chǎn)品。目前市場上單片機的生產(chǎn)廠商很多，其中 51系列單片 機的應(yīng)用比較廣泛，并且其開發(fā)手段也比較簡單，是工業(yè)檢測、控制領(lǐng)域中的最理想的 8位單片機。 51系列產(chǎn)品中主要包括 8031， 8051， 87051. 單片機CPU CPU 存儲器 LED LCD 鍵盤 GPS 電源 語音 GPRS 話 筒麥克風(fēng) 畢業(yè)論文 17 89058等。 單片機的選擇 采用 W77E58是一個很好的選擇， W77E58是一個快速 8051兼容微控制器 。它的內(nèi)核經(jīng)過重新設(shè)計，提高了時鐘速度和存儲器訪問周期速度。經(jīng)過這種改進(jìn)以后，在相同的時鐘頻率下，它的指令執(zhí)行速度比標(biāo)準(zhǔn) 8051要快許多。一般來說，按照指令的類型， W77E58的指令執(zhí)行速度是標(biāo)準(zhǔn) 8051的 。整體來看， W77E58的速度比標(biāo)準(zhǔn)的 8051快 。在相同的吞吐量及低頻時鐘情況下，電源消耗也降低。由于采用全靜態(tài) CMOS設(shè)計， W77E58能夠在低時鐘頻率下運行。 W77E58內(nèi)含 32KB Flash EPROM，工作電壓為 ，具有 1KB片上外部數(shù)據(jù)存儲器，當(dāng)用戶應(yīng)用時使用片上 SRAM代替外部 SRAM，可節(jié)省更多 I/O口。 其主要特性 : （ 1） 8位 CMOS微控制器 （ 2）每 4個時鐘周期為一個機器周期的高速結(jié)構(gòu)，最大外部時鐘頻率為 40MHZ （ 3）與標(biāo)準(zhǔn) 80C52管腳兼容 （ 4）指令與 MCS51兼容 （ 5） 4個 8位 I/O口 （ 6）一個附加的 4位 I/O口和等待狀態(tài)控制信號 (僅限 44腳 PLCC/QFP封裝 ) （ 7） 3個 16位定時 /計數(shù)器 （ 8） 12個中斷源， 2級中斷能力 （ 9）片上振蕩器及時鐘電路 （ 10）二個增強型全雙工串行口 （ 11） 32KB Flash EPROM （ 12） 256字節(jié)片內(nèi)暫存 RAM （ 13）片內(nèi) 1KB外部數(shù)據(jù)存儲器 （ 14）可編程看門狗定時器 （ 15）軟件復(fù)位 （ 16） 2個 16位數(shù)據(jù)指針 （ 17）對外部 RAM及外設(shè)的訪問周期可以進(jìn)行軟件編程 顯示模塊 車載終端一個最主要的功能是為乘客報站，自動報 站包括語音報站， LED和 LCD顯示來報站。用多個 LCD顯示屏為駕駛員顯示時間，調(diào)度等重要信息，它主要的模塊由顯示模塊與語音模塊組成。另外要存儲器，微處理器的支持。下面分別介紹 LCD顯示屏與 LED顯示屏。 畢業(yè)論文 18 LCD顯示屏 車載 LCD電子顯示屏主要是以最優(yōu)的方式顯示給駕駛員看的，車載終端所獲取的實時數(shù)據(jù)以文字或圖形的方式顯示在車載機的顯示屏幕上。數(shù)據(jù)按其性質(zhì)和用途分為不同的組。第一種為時間畫面圖 32。圖中，車輛狀態(tài)指車輛上行、下行、包車、班車、快車、加油等狀態(tài)。