【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 6個(gè)軌道面內(nèi)，每 8 個(gè)軌道面上分布 4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道面相對(duì)赤道面的傾角為 55176。 ，各軌道平面升交點(diǎn)的赤經(jīng)相差 60176。 ，在相鄰軌道上，衛(wèi)星的升交距角相差 30176。 。因此，同一觀測(cè)站上，每天出現(xiàn)分布圖形相同，每顆衛(wèi)星每天約有 5 小時(shí)在地平線以上，同時(shí)位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目，隨時(shí)間和地點(diǎn)而異，最少為 4顆，最多為 11顆。這樣保障了在任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)至少可以觀測(cè)到 4顆衛(wèi)星。 地面監(jiān)控部分由均勻分布在美國(guó)本土和三大洋的美軍基地上的 5 個(gè)監(jiān)測(cè)站、一個(gè)主控站和三個(gè)信息注入站構(gòu)成。 主控站 ：收集、處理、本站和監(jiān)控站收到的全部資料，編算出每顆衛(wèi)星的星歷和 GPS時(shí)間系統(tǒng)，將預(yù)測(cè)的衛(wèi)星星歷、鐘差、狀態(tài) 數(shù)據(jù)及大氣傳播改正編制成導(dǎo)航電文傳送給注入站，必要時(shí)可調(diào)度衛(wèi)星。 注入站 ：將主控站發(fā)來(lái)的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)器。 監(jiān)控站： 為主控站提供衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)。 用戶接收機(jī)部分是用戶實(shí)現(xiàn) GPS 定位目的必需的部分，它主要由 GPS 接收機(jī)硬件和數(shù)據(jù)處理軟件以及微處理機(jī)和終端設(shè)備組成。它的任務(wù)是接收 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)，獲得必要的定位信息及觀測(cè)量，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理而完成定位工作。 GPS 接收機(jī)的分類(lèi) ： （ 1） 按接收機(jī)的用途分類(lèi)：導(dǎo)航型、測(cè)地型、授時(shí)型、氣象型 。 （ 2）按接收機(jī)的載波頻率分類(lèi)：?jiǎn)晤l（ L1）、雙頻（ L L2） 。 （ 3） 按接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) :靜態(tài)、動(dòng)態(tài) 。 （ 4）按接收機(jī)通道數(shù)分類(lèi)：多通道、序慣通道、多路多通道 。 （ 5）按接收機(jī)工作原理分類(lèi)：碼相關(guān)型、平方型、混合型、干涉型 。 GPS 導(dǎo)航定位 以全天候、高精度、 自動(dòng)化、高效益 、多功能、操作簡(jiǎn)便、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)著稱(chēng)。 它不僅可以用于測(cè)量、導(dǎo)航，而且還可以進(jìn)行測(cè)速、測(cè)時(shí)。測(cè)速的精度可達(dá) ，測(cè)時(shí)的精度可達(dá)幾十毫微秒。 GPS 定位原理 其具體 定位原理是： GPS 的測(cè)量定位原理是通過(guò)所觀測(cè)到的距離與位置之間的關(guān)系，推出所要確定的位置 9 在 WGS84 坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。而對(duì)距離的測(cè)量是通過(guò)測(cè)量信號(hào)的傳輸時(shí)間或測(cè)量所收到的 GPS 衛(wèi)星信號(hào)與接收機(jī)內(nèi)部信號(hào)的相位差計(jì)算出來(lái)。它以觀測(cè)站至衛(wèi)星的距離為基本觀測(cè)量，而推導(dǎo)出所測(cè)量目標(biāo)的位置。 GPS 衛(wèi)星信號(hào)含有多種定位信息，根據(jù)不同要求，可以從中獲得不同的觀測(cè)量。為獲得距離觀測(cè)量主要有兩種方法 :一是測(cè)量衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼 (P 碼或 C/A 碼 )信號(hào)到達(dá)用戶接收機(jī)的距離，也稱(chēng)偽距定位法 :一是測(cè)量接收機(jī)接受到的多普勒頻移的載波信 號(hào)與接收機(jī)接收到的參考載波信號(hào)之間的相位差，這種測(cè)量方法叫載波相位法。載波相位測(cè)量方法是目前最精確的測(cè)量方法，但存在整周不確定、周跳、半周跳等現(xiàn)象，使得數(shù)據(jù)處理比較麻煩，而且其成本也比較高。因此在車(chē)輛定位中一般采用偽距定位法。 GPS 測(cè)量中常用的差分模式 有三種：?jiǎn)握?GPS 的差分（ SRDGPS）、局部區(qū)域差分 GPS 系統(tǒng) （ LADGPS）、廣域差分（ WADGPS）。單站 GPS 的差分又可分為：位置差分、偽距差分、載波相位差分。 （ 1） 位置差分原理 ： 這是一種最簡(jiǎn)單的差分方法，任何一種 GPS接收機(jī)均可改裝和組成這種差 分系統(tǒng)。安裝在基準(zhǔn)站上的 GPS 接收機(jī)觀測(cè) 4 顆衛(wèi)星后便可進(jìn)行三維定位，解算出基準(zhǔn)站的坐標(biāo)。由于存在著軌道誤差、時(shí)鐘誤差、 SA 影響、大氣影響、多徑效應(yīng)以及其他誤差，解算出的坐標(biāo)與基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)是不一樣的， 存在誤差?；鶞?zhǔn)站利用數(shù)據(jù)鏈將此改正數(shù)發(fā)送出去，由用戶站接收，并且對(duì)其解算的用戶站坐標(biāo)進(jìn)行改正。 最后得到的改正后的用戶坐標(biāo)已消去了基準(zhǔn)站和用戶站的共同誤差，例如衛(wèi)星軌道誤差、 SA 影響、大氣影響等，提高了定位精度。以上先決條件是基準(zhǔn)站和用戶站觀測(cè)同一組衛(wèi)星的情況。 位置差分法適用于用戶與基準(zhǔn)站間距離在 100km 以?xún)?nèi)的情況。 （ 2） 偽距差分原理 ： 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GPS 接收機(jī)均采用這種技術(shù)。國(guó)際海事 無(wú)線電委員會(huì)推薦的 RTCM SC104 也采用了這種技術(shù)。 在基準(zhǔn)站上的接收機(jī)要求得它至可見(jiàn)衛(wèi)星的距離，并將此計(jì)算出的距離與含有誤差的測(cè)量值 加以比較。利用一個(gè) α β 濾波器將此差值濾波并求出其偏差。然后將所有衛(wèi)星的測(cè)距誤差傳輸 給用戶，用戶利用此測(cè)距誤差來(lái)改正測(cè)量的偽距。最后，用戶利用改正后的偽距來(lái)解出本身的位置， 就可消去公共誤差，提高定位精度。與位置差分相似，偽距 差分能將兩站公共誤差抵消，但隨著用戶到基準(zhǔn)站距離的增加又 出現(xiàn)了系統(tǒng)誤差，這種誤差用任何差分法都是不能消除的。用戶和基準(zhǔn)站之間的距離對(duì)精度有決定性影響。 （ 3） 載波相位差分原理 ： 位置差分、偽距差分、 偽距差分相位平滑等技術(shù)已成 10 功地用于各種作業(yè)中。隨之而來(lái)的是更加精密的測(cè)量技術(shù) —— 載波相位差分技術(shù)。載波相位差分技術(shù)又稱(chēng)為 RTK 技術(shù)（ real time kinematic），是建立在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站的載波相位基礎(chǔ)上的。它能實(shí)時(shí)提供觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并達(dá)到厘米級(jí)的高精度。與偽距差分原理相同，由基準(zhǔn)站 通過(guò)數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)將其載波觀測(cè)量及站坐標(biāo)信息一同傳送給用戶站。用戶站接收 GPS 衛(wèi)星的載波相位 與來(lái)自基準(zhǔn)站的載波相位，并組成相位差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，能實(shí)時(shí)給出厘米級(jí)的定位結(jié)果。實(shí)現(xiàn)載波相位差分 GPS 的方法分為兩類(lèi)：修正法和差分法。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 用戶臺(tái)進(jìn)行求差解算坐標(biāo)。前者為準(zhǔn) RTK 技術(shù)，后者為真正的 RTK 技術(shù)。 GPS 系統(tǒng)所采用的定位技術(shù)也是多種多樣的，目前主要采用的定位技術(shù)有以下幾種： （ 1） 基于網(wǎng) 絡(luò)的定位技術(shù) 通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)獲取到終端到達(dá)不同基站信號(hào)的時(shí)間差，移動(dòng)臺(tái)的環(huán)路時(shí)延、信號(hào)到達(dá)角度等，獲取到終端的位置進(jìn)行定位。這種定位的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需修改移動(dòng)臺(tái)，但這些技術(shù)都需要在基站上增加相應(yīng)的測(cè)量設(shè)備，代價(jià)較高。 （ 2） 輔助 GPS 技術(shù) (AGPS) 移動(dòng)臺(tái)需要接收至少 4個(gè) GPS 衛(wèi)星的信號(hào)，根據(jù)這些信息完成定位計(jì)算，在輔助 GPS技術(shù)中，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)移動(dòng)臺(tái)當(dāng)前所在的小區(qū)，確定所在小區(qū)上空的 GPS 衛(wèi)星，將這些信息提供給移動(dòng)臺(tái)。移動(dòng)臺(tái)根據(jù)這些信息，更快地完成可用衛(wèi)星的搜索過(guò)程。再把用于計(jì)算移動(dòng)臺(tái) 位置的信息傳送給網(wǎng)絡(luò)，由網(wǎng)絡(luò)計(jì)算移動(dòng)臺(tái)的位置。 （ 3） 混合定位技術(shù) 一般來(lái)說(shuō)， GPS 技術(shù)能夠提供很高的定位精度，但在很多情況下，移動(dòng)臺(tái)不能夠捕獲足夠多的 GPS 衛(wèi)星。這時(shí)候，移動(dòng)臺(tái)可以利用基站的信號(hào)補(bǔ)充衛(wèi)星的不足。這樣在降低一定精度的條件下，提高可用性，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。 （ 4） 基于移動(dòng)臺(tái)的 GPS 定位 對(duì)于一些需要快速連續(xù)定位的業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō) (例如實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)汽車(chē)導(dǎo)航 )，可能要求每隔幾秒鐘刷新終端位置信息。在這種情況下， AGPS 方式就很難滿足時(shí)間上的要求。因此，為了提高連續(xù)定位情況下的定位間隔時(shí)間，提出了基于 移動(dòng)臺(tái)的 GPS 定位。與 AGPS 不同的是，基于移動(dòng)臺(tái)定位方式下，位置的計(jì)算全部由終端自己完成，終端始終處于 GPS 跟蹤 11 狀態(tài)，減少了與網(wǎng)絡(luò)的交互時(shí)間。這種技術(shù)需要對(duì)現(xiàn)有移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行適當(dāng)修改，如集成 GPS接收機(jī)或能同時(shí)接收多個(gè)基站信號(hào)進(jìn)行自定位的處理單元。 目前，在大多數(shù)的汽車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)中常采用這種定位技術(shù)。 12 第 3 章 車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng) 系統(tǒng) 功能設(shè)計(jì) 系統(tǒng)概述 車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)是 ITS的重要組成部分，使汽車(chē)行動(dòng)中的“雷達(dá)”。該系統(tǒng)是以汽車(chē)裝置為終端來(lái)接受信息服務(wù)的交通信息服務(wù)系統(tǒng)。對(duì)于廣大 司機(jī)而言，車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)為其提供了一個(gè) 避免堵車(chē)的方便、快捷、安全的出行系統(tǒng)。而對(duì)于交通管理者來(lái)說(shuō)，由于車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)所具有的路徑規(guī)劃和行程引導(dǎo)作用，就使得交通管理部門(mén)可以將整個(gè)車(chē)流明了的分配在整個(gè)道路網(wǎng)上，便于對(duì)其進(jìn)行規(guī)劃和管理。 車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展至今，主要經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一個(gè)階段主要利用簡(jiǎn)單的傳感器進(jìn)行簡(jiǎn)略測(cè)定和汽車(chē)定位；第二個(gè)階段導(dǎo)航裝置是自動(dòng)探索和顯示到達(dá)目的地的推薦路線；第三個(gè)階段是導(dǎo)航裝置 與地面交通管理系統(tǒng)聯(lián)機(jī)，從而顯示最佳行駛路線。隨著車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，該系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成為發(fā)達(dá)國(guó)家新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。 系統(tǒng)功能 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)展現(xiàn)出十分強(qiáng)大的功能。 （ 1） 導(dǎo)航功能 使用者在車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)上任意標(biāo)注兩點(diǎn)后，導(dǎo)航系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)根據(jù)當(dāng)前的位置，為車(chē)主設(shè)計(jì)最佳路線。另外，它還有修改功能，假如用戶因?yàn)椴恍⌒腻e(cuò)過(guò)路口，沒(méi)有走車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)推薦的最佳線路，車(chē)輛位置偏離最佳線路軌跡 200 米以上，車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)根據(jù)車(chē)輛所處的新位置，重新為用戶設(shè)計(jì)一條回到主航線路線，或是為用戶設(shè)計(jì)一條從性位置到終點(diǎn)的最佳線路。 （ 2） 轉(zhuǎn)向語(yǔ)音提示功能 車(chē)輛只要遇到前方路口或者轉(zhuǎn)彎，車(chē)載語(yǔ)音系統(tǒng)提示用戶 轉(zhuǎn)向等語(yǔ)音提示。這樣可以避免車(chē)主走彎路。它能夠提供全程語(yǔ)音提示，駕車(chē)者無(wú)需觀察起顯示界面就能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的全過(guò)程，使得行車(chē)更加安全舒適 。 （ 3） 增加興趣點(diǎn)功能 13 由于中國(guó)大部分城市都處于建設(shè)階段，隨時(shí)隨地都有可能冒出新的建筑物，由此，電子地圖的更新也成為眾多 駕駛 者關(guān)心的問(wèn)題。因此遇到一些電子地圖上沒(méi)有的目標(biāo)點(diǎn)，只要感興趣或者認(rèn)為有必要，可將該點(diǎn)或者新路線增加到地圖上。這些新增的興趣點(diǎn)，與地圖上原有的任何一個(gè)點(diǎn)一樣，均可套用進(jìn)電子地圖查閱等功能。 （ 4） 定位 功能 GPS 通過(guò)接收衛(wèi)星信號(hào)，可以準(zhǔn)確地定出其 所在的位置，位置誤差小于 10 米。如果機(jī)器里帶地圖的話，就可以在地圖上相應(yīng)的位置用一個(gè)記號(hào)標(biāo)記出來(lái)。同時(shí)， GPS 還可以取代傳統(tǒng)的指南針，顯示方向，取代傳統(tǒng)的高度計(jì)，顯示海拔高度等信息。 （ 5） 測(cè)速 功能 通過(guò) GPS 對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的接收計(jì)算，可以測(cè)算出行駛的具體速度，比一般的里程表準(zhǔn)確很多。 （ 6） 顯示航跡 功能 如果去一個(gè)陌生的地方，去的時(shí)候有人帶路，回來(lái)時(shí) 忘記了路線 ， GPS 帶有航跡記錄功能，可以記錄下用戶車(chē)輛行駛經(jīng)過(guò)的路線，小于 10 米的精度，甚至能顯示兩個(gè)車(chē)道的區(qū)別。回來(lái)時(shí)，用戶可以啟動(dòng)它的返程功能，領(lǐng)著順著 來(lái)時(shí)的路線順利 返回 。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 原則 車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及建立必須滿足以下原則： （ 1） 能夠在電子地圖上按照指定的位置清晰地描繪出需要參考的物標(biāo)。 道路兩旁的地物及物標(biāo)在汽車(chē)行程中具有參照作用，在一定條件下對(duì)司機(jī)的駕駛是一種指導(dǎo)作用，因此在導(dǎo)航屏幕的電子地圖上必須對(duì)特定的物標(biāo)具有明確的標(biāo)注。 （ 2） 能夠同時(shí)顯示出多輛汽車(chē)在圖上的運(yùn)行狀況。 駕駛者在行駛過(guò)程中最懼怕交通堵塞，交通情況的好壞直接影響到汽車(chē)的 行駛 速度以及駕駛者的人身安全，所以在導(dǎo)航儀器上必須同時(shí)盡量顯示多 輛汽車(chē)的運(yùn)行狀況 ，這對(duì)駕駛者的安全以及快捷的出行起到極其重要的作用。 （ 3） 能夠快速地調(diào)用自己所存儲(chǔ)的車(chē)輛運(yùn)行數(shù)據(jù)。 所存儲(chǔ)的車(chē)輛運(yùn)行數(shù)據(jù)起著極為重要的記憶功能，是對(duì)已行駛路線的記憶，是對(duì)駕 14 駛者的回程以及歷史行程的存儲(chǔ)，所以應(yīng)滿足快速調(diào)用的要求。 系統(tǒng) 總體設(shè)計(jì) 目前車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)主要分為兩種：一種是僅僅基于汽車(chē)行駛位置和路網(wǎng)地理分布的路線導(dǎo)航，也就是基于道路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的最短路徑或最優(yōu)路徑實(shí)施導(dǎo)航，稱(chēng)為靜態(tài)路徑導(dǎo)航；另一類(lèi)則是加入了實(shí)時(shí)的路段交通信息，根據(jù)動(dòng)態(tài)的交通分配理論來(lái)預(yù)測(cè)短期的路段旅行 時(shí)間，從而以路段動(dòng)態(tài)旅行時(shí)間 最短路徑進(jìn)行導(dǎo)航，即動(dòng)態(tài)路徑導(dǎo)航。 圖：車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) （靜態(tài)路徑導(dǎo)航） 如圖所示，該設(shè)計(jì)是由汽車(chē)內(nèi)部所裝置的 GPS 來(lái)獲取汽車(chē)的行駛位置，然后和已經(jīng)描繪完成的數(shù)字電子地圖進(jìn)行地圖匹配，從而獲得汽車(chē)的行駛路徑，并且存儲(chǔ)汽車(chē)的行駛路線，但是，由于汽車(chē)在隧道以及建筑物密集區(qū)中行駛時(shí)， GPS 容易丟失信號(hào)，使導(dǎo)航中斷，所以在系統(tǒng)中一般配合車(chē)速傳感器和陀螺器為主的航位推算系統(tǒng)來(lái)保證導(dǎo)航系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 位置 數(shù)據(jù) 路徑數(shù)據(jù) 導(dǎo)航數(shù)據(jù) 模擬數(shù)據(jù) 方向傳感器 距離傳感器 測(cè)量數(shù)據(jù) GPS 接收機(jī) GPS/DR 組合 地圖匹 配 地圖數(shù)據(jù)庫(kù) 位 置 輸 出 GPS數(shù)據(jù) 路徑規(guī)劃 導(dǎo)航主系統(tǒng) 導(dǎo)航信息提示 模擬駕駛 15 圖：車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)（動(dòng)態(tài)路徑導(dǎo)航） 如圖所示，該系統(tǒng)可以借助移動(dòng) GIS（ MobelGIS） 得以實(shí)現(xiàn)，當(dāng)駕 駛員根據(jù)路徑規(guī)劃功能選擇出最佳路徑并且按照此條路徑行車(chē)時(shí)，系統(tǒng)在電子地圖上實(shí)時(shí)地顯示車(chē)輛位置信息，并且綜合車(chē)輛位置信息、規(guī)劃路徑、電子地圖三者進(jìn)行實(shí)