【文章內容簡介】 那么用戶的位置必定在以 S1 為球心， R1 為半徑的球面 C1 上 ； 同樣，若用戶到衛(wèi)星 S2 的真實距離為 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 C2 上，用戶的位置既在球 Cl 上，又在球 C2 上，那它必定處在 C1 和 C2 這兩球面的交線 L1 上。類似地，如果再有一個以衛(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 這兩個球面的交線 L2 上。用戶的位置既在交線 L1 上，又會在交線 L2 上，它必定在交線 L1 和 L2 的交點上。 GPS 系統(tǒng)定位的代數(shù)原理如圖21 所示。 圖 21 GPS 衛(wèi)星定位 代數(shù) 原理圖 用戶接收機與衛(wèi)星之間的距離為 R，坐標組合 (x1， y1， z1)、 (x2， y2， z2)和 (x3，y3， z3)是三顆衛(wèi)星的已知位置。可得以下代數(shù)方程式： 222 111R1 ）（）（）（ zzyyxx ?????? （ 21） 222 222R2 ）（）（）（ zzyyxx ?????? （ 22） 222 333R3 ）（）（）（ zzyyxx ?????? （ 23） 式中 R R R3 為衛(wèi)星與接收機之間的距離； (x1， y1， z1)、 (x2， y2， z2)和 (x3， y3， z3)為衛(wèi)星位置的三維坐標值；（ x， y， z）表示用戶位置的三維坐標 ；其中 R R R (x1， y1， z1)、 (x2， y2， z2)和 (x3， y3， z3)是已知量，（ x， y， 9 z）是未知量。 三個方程三個未知量就可以計算出衛(wèi)星接收器的位置坐標（ x， y， z）。 從上面的分析看出，從原理上說，有三個衛(wèi)星至測站的距離，就可實現(xiàn)三維坐標的定位。 實際上，用戶接收機一般不可能有十分準確的時鐘，它們不能與衛(wèi)星鐘準確同步，因此用戶接收機測量得出的衛(wèi)星信號在空間的傳播時間是不準確的，計算得到的距離也不是用戶接收機和衛(wèi)星之間的真實距離，這種距離叫做偽距離。利用第四顆衛(wèi)星作參考衛(wèi)星，假設用戶接收機在接收衛(wèi)星信號的瞬間，接收機的時鐘與衛(wèi)星導航系統(tǒng)所用時鐘的時間差為 △ t， 則上面公式將改成為： tczzyyxx ???????? *111R1 222 ）（）（）（ （ 24） tczzyyxx ???????? *222R2 222 ）（）（）（ （ 25） tczzyyxx ???????? *333R3 222 ）（）（）（ （ 26） tczzyyxx ???????? *444R4 222 ）（）（）（ （ 27） 式中 c 表示電磁波傳播速度（光速） ； t? 是未知數(shù)。其中 (x1， y1， z1) ， (x2 ， y2， z2) ， (x3， y3， z3)和 (x4， y4， z4)是衛(wèi)星的已知位置， R1~R4 為接收機測得的距四顆衛(wèi)星的偽距，便有四個這樣的方程，把它們聯(lián)立起來，可以解出四個未知量 x， y， z 和 t? ，即能求出接收機的位置和準確時間。 當用戶不運動時，由于衛(wèi)星在運動，在接收機的衛(wèi)星信號中會有多普勒頻移。這個頻移的大小和正負是可以根據衛(wèi)星的星歷、時間以及用戶本身的位置算出來的。如果用戶本身也在運動，則這個多普勒頻移便要發(fā)生變化，其大小和正負取決于用戶的速 度與方向。根據這個變化，用戶便可以算出自己的三維運動速度，這就是 GPS 測速的基本原理。另一種求解用戶速度的方法是：知道用戶在不同時間的三維位置，用三維位置的差除以所經過的時間，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 碼進行實時絕對定位，各坐標分量精度在 510m 左右，三維綜合精度在 1530m 左右；利用軍用 P 碼進行實時絕對定位，各坐標分量精度在 13m左右，三維綜合精度在 36m 左右；利用相位觀測值進行絕對定位技術比較復雜，目前其實 時或準實時各坐標分量的精度在 左右，事后 24 小時連續(xù)定位三維精度可達 23cm 左右。在導航型 GPS 接收機中，多采用偽距定位法。 GPS 衛(wèi)星定位的主要誤差來源 10 一般來說，產生 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 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 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）與接收機相關的誤差 接收機安置誤差 ： 即接收機相位中心與待測物體目標中心的偏差，一般可事先確定。 接收機時鐘差 ： 接收機時鐘與標準的 GPS 系統(tǒng)時間之差，一般可達 510 610 秒。 接收機信道誤差：信號經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)境產生信號的反射，構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 0. 1 0. 3m，相位觀測值的等效距離誤差，約為 2mm。 3）與大氣傳輸有關的誤差 電離層誤差 ： 501000km 的高空大氣被太陽高能粒子轟擊后電離，即產生大量自由電子，使 GPS 信號產生傳播延遲，一般白天強夜晚弱，可導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，故可用雙頻或多頻率信號予以顯著減弱。 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，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)星坐標精度不高的問題，國際上的 GPS 服務機構 IGS 提供了事后的 GPS 衛(wèi)星的精密星歷，其軌道坐標精度達 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，利用這些數(shù)據，人們可以進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，從亞毫米、毫米到厘米、分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間時間同步。在定位的時間響應方面可以 秒、 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，使得它有廣泛的應用領域。 11 GPS 數(shù)據丟失的補償方案 當 GPS 數(shù)據發(fā)生丟失時，為了保證車載 GPS 系統(tǒng)還能正常的進行服務，可以采用一些硬件補償措施來進行補償。 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行運營，硬件補償方法有如下幾種： 1）車載終端設置若干運行狀態(tài)按鍵，由駕駛員在執(zhí)行每項任務 (如上行、下行、加油、保修、報站、進 /出站 )時按相應的按鍵。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)據通道發(fā)生問題時，啟用備用的數(shù)據通道 (例如 SMS)。 3）車載終端具有斷線重撥功能，能在斷線后以最短的時間恢復連接。采用無線通信方式經實際測試其重撥 一次成功率達到 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)據的能力。當通信中斷時，數(shù)據自動存儲，一旦通信恢復，可將存儲的數(shù)據以壓縮的方式成批上傳至監(jiān)控調度中心。 3 系統(tǒng)關鍵技術介紹 數(shù)據的無線傳輸技術 12 常用的無線數(shù)據傳輸技術 目前，應用于智能公交監(jiān)管系統(tǒng)的無線數(shù)據通信方式有：常規(guī)通信方式、集群通信方式、無線數(shù)據廣播方式、專用數(shù)據通信方式、衛(wèi)星通信方式和蜂窩式移動通信等。下面對各數(shù)據傳輸技術的優(yōu)缺點進行簡單分析和比較 [21]。 1） 常規(guī)通信方式是行車站點 GPS信息管理 系統(tǒng)可以采用的最簡單的無線數(shù)據通信方式。但是其系統(tǒng)容量小、通信覆蓋范圍小，穩(wěn)定性低，多對象間通信難度大。 2） 集群通信方式是一種移動通信方式，多個用戶能夠共用一組動態(tài)分配的無線頻道，將頻率資源自動地、最優(yōu)地分配給所有用戶，充分利用了有限的資源。但系統(tǒng)容量有限，作用區(qū)域覆蓋不夠。 3） 衛(wèi)星通信方式是一種利用人造地球衛(wèi)星作為基站轉發(fā)無線電信號來實現(xiàn)兩個或多個地面站之間通信的一種方式。它通信距離遠、容量大、通信可靠但通信費用和所需車載終端的價格較高，實時性較低，不適用于范圍相對較 小的車輛信息管理系統(tǒng)。 4） 蜂窩式移動通信是采用無線組網的方法，通過無線通道將網絡設備與終端連接起來而實現(xiàn)用戶相互通信的一種方式。其利用頻率復用技術實現(xiàn)了頻率資源的有效利用，目前已經從模擬制式發(fā)展到了數(shù)字制式，網絡覆蓋范圍廣、容量大、使用費用低廉，且無需自己建網，是一種既經濟又有效的方式。 蜂窩式移動通信技術 目前，利用蜂窩式移動通信實現(xiàn)無線數(shù)據傳輸?shù)某Ｓ玫姆绞街饕兴姆N： GSM短消息業(yè)務、通用無線分組業(yè)務 GPRS、碼分多址技術 CDMA和第三代蜂窩移動通一訊技術 3G[22]。 1) GSM短消息業(yè)務 ， 全 球移動通信系統(tǒng) (Global System of Mobile Communication，簡稱 GSM)是由歐洲電信標準組織 ETSI制定的數(shù)字移動通信標準。它具有無須建立端到端連接、傳輸速度快等優(yōu)點，但不適合在對數(shù)據傳輸實時性較高的智能車輛監(jiān)管系統(tǒng)中使用，主要原因是 ： 通信實時性不好 、 數(shù)據傳輸存在不可靠性 、 單次傳輸?shù)男畔⒘渴芟?。 2) 通用分組無線業(yè)務 GPRS ( General Packet Radio Service )，是在 GSM通信系統(tǒng)基礎上發(fā)展出來的一種采用分組交換技術傳輸數(shù)據及信令的高效率數(shù)據傳輸方式。 與GSM相比， GPRS具有以下優(yōu)點：資源利用率高、接入范圍廣、傳輸速率高、費用低廉、接入時間短、永遠在線、組網靈活、具有信道保障、切換自如、維護簡單等。但是 GPRS也存在一些缺陷，如數(shù)據包丟失現(xiàn)象、數(shù)據傳輸?shù)膶嶋H速率要比理論值低、數(shù)據在轉接過程中會存在延時等。 3) 碼分多址技術 CDMA (Code Division Multiple Access )，是由美國高通公司開發(fā)的移動通信技術，能夠滿足于現(xiàn)代移動通信網和未來多媒體時代的大容量、高質量、軟切換、國際漫游、綜合業(yè)務等要求。具有系統(tǒng)容量大、覆蓋廣、數(shù)據傳輸穩(wěn) 定、傳輸速 13 率較高、安全性能好、發(fā)射功率小等特點。 4) 第三代蜂窩移動通信技術 (3rdgeneration，簡稱 3G)，是指將無線通信與國際互聯(lián)網等多媒體結合的新一代移動通信系統(tǒng)，它支持數(shù)據高速傳輸，可以更好地實現(xiàn)無縫漫游，并處理多種媒體形式、提供多種資訊服務。它的主要優(yōu)點是增加了系統(tǒng)容量和數(shù)據傳輸速率，通過無縫漫游技術將 Inter和無線通信系統(tǒng)連接起來，為移動終端用戶提供更豐富的數(shù)據業(yè)務。 GIS 系統(tǒng)及相關技術 地理信息系統(tǒng) 地理信息系統(tǒng) (Geographical Information System，簡稱 GIS)萌芽于上世紀 60年代初[23]。它是以地理空間數(shù)據庫為基礎，通過采集、存儲、管理、分析、顯示和應用整個地球表面 (包括大氣層 )空間和地理分布的有關數(shù)據信息，并采用地理模型分析方法，適時提供多種空間和動態(tài)地理信息，為地理研究、綜合評價、定力分析和決策服務而建立起來的一類計算機應用系統(tǒng) 。 GIS在行車站點 GPS信息管理系統(tǒng)中的應用 在行車站點 GPS信息管理 系統(tǒng)中，可以利用 GIS技術將車載終端采集的車輛位置和行駛狀態(tài)準確地在電子地圖進行顯示，從而實現(xiàn)對車輛的實時監(jiān) 控和管理。 GIS在行車站點 GPS信息管理 系統(tǒng)中的主要功能和用途可以概括為以下幾點：第一，提供圖形化的人機界面；第二，在矢量電子地圖上，用戶可以任意的放大縮小，地圖漫游等；第三，可以查詢地理實體；第四，能夠將車輛位置在電子地圖上實時并準確地顯示來，達到跟蹤車輛行駛過程的目的 [24]。 GIS系統(tǒng)的開發(fā) 目前， GIS 開發(fā)有三種實現(xiàn)方式：獨立開發(fā)、單純二次開發(fā)、基于 GIS 組件的集成二次開發(fā)。其中，獨立開發(fā)的所有算法都由開發(fā)者獨立設計，因此開發(fā)者的能力、時間、財力等限制使其產品很難在功能上與商業(yè)化 GIS 工具軟件相比；單純二次開發(fā)，指基于 GIS 平臺軟件上進行應用系統(tǒng)開發(fā)。 GIS 平臺軟件提供的二次開發(fā)的腳本語言功能弱，效率不高，而且開發(fā)的應用程序不能脫離 GIS 平臺軟件。 然而，基于 GIS 組件的集成二次開發(fā)，指開發(fā)人員基于通用軟