【文章內(nèi)容簡介】 接收機便可獨立定位，觀測的組織與實施簡便，數(shù)據(jù)處理簡單。一般來說，絕對定位的概念比較抽象，涉及的技術(shù)比較復雜，定位精度也難以達到很高，而相對定位概念比較直觀具體，實現(xiàn)的技術(shù)較為簡單、直接，高精度也容易實現(xiàn)一些。例如，利用望遠鏡和測角設(shè)備的經(jīng)緯儀測量北極星的高度角可以確定某一點在地球上的緯度，測量同一個恒星過格林尼治天文臺和當?shù)氐臅r間差可以確定經(jīng)度，是一種絕對定位。，相當于地球上15m的范圍。用雷達測量運動的飛機的方位角和雷達與飛機間的斜距和高度角是相對定位測量的例子。類似于雷達的全站儀是由激光來測量儀器至目標的距離，用精密電子設(shè)備測量儀器至目標的方位角和高度角，其相對定位的精度可高達12個毫米。相對定位技術(shù)上較易實現(xiàn)，通過相對定位的方式，在己知某目標絕對定位結(jié)果的情況下，也可以獲得新目標的絕對定位位置。 基本定位原理方程GPS定位的基本原理是通過不間斷的接收衛(wèi)星發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時間信息，把高速運動的衛(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的方法，經(jīng)過計算求出接收機的三維位置，三維方向以及運動速度和時間信息。GPS定位的基本幾何原理為三球交會原理:如果用戶到衛(wèi)星S1的真實距離為R1,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C1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 三顆衛(wèi)星的狀態(tài)圖用戶接收機與衛(wèi)星之間的距離為R，坐標組合(xl,yl,zl),(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 (21) (22) (23) 式中， R為衛(wèi)星與接收機之間的距離。xl,yl,zl表示衛(wèi)星位置的三維坐標值。x,y,z表示用戶(接收機)位置的三維坐標。其R,xl,yl,z1是己知量，x,y,，即要求的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，它們也不與衛(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(shè)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+ (24) + (25) + (26) + (27) 式中c表示電磁波傳播速度，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。只要接收機能測出距四顆衛(wèi)星的偽距，便有四個這樣的方程，把它們聯(lián)立起來，便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的時間。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(jù)衛(wèi)星的星歷和時間，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(jù)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(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碼進行實時絕對定位，各坐標分量精度在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(shù)比較復雜，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。本系統(tǒng)設(shè)計時車輛定位精度為l0m。 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，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(jù)，利用這些數(shù)據(jù)，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(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。、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:。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。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。，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。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致電子站牌到站預報和離站預 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)還能正常的進行全方面服務(wù)，可以采用一些措施來進行補償。本論文分別研究出了硬件與軟件補償?shù)姆桨?。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(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(jīng)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(jù)的能力。當通信中斷時，數(shù)據(jù)自動存儲，一旦通信恢復，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)影響的嚴重程度，從而分級別地采取響應(yīng)的措施進行補償，其處理的一般流程如圖22所示。 圖22 軟件補償方案選擇的一般流程 預測內(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。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，預測車輛的當前位置，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，補償方法預報數(shù)據(jù)的誤差主要來源于以下一些因素:（1）預先計算的采樣點間隔。（2）經(jīng)驗速度的計算及其分布。（3）預測持續(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，存在一個機器學習的過程。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測算法的持續(xù)時間。當預測點與計算的基點在時間上間隔越長時，預測結(jié)果就變得越不可信。因此本方案中，當預測持續(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定位誤差進行了一定的分析，設(shè)計了當GPS發(fā)生丟失時的補償方案。第三章智能公交