【文章內(nèi)容簡介】 )R （ x3x ） (23) 淮陰師范學院畢業(yè)論文 11 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,z是未知量 .三個方程三個未知量就可以定出接收機的位置，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 2 2 2= + ( y 1 y ) + ( z 1 z )R （ x1x ） + tc?? (24) 2 2 2= + ( y 2 y ) + ( z 2 z )R （ x2x ） + tc?? (25) 2 2 2= + ( y 3 y ) + ( z 3 z )R （ x3x ） + tc?? (26) 2 2 2= + ( y 4 y ) + ( z 4 z )R （ x4x ） + tc?? (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比較復雜，目 前其實時或準實時各坐標分量的精度在 ，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)設計時車輛定位精度為 l0m。 淮陰師范學院畢業(yè)論文 12 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 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，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(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，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。定時方淮陰師范學院畢業(yè)論文 13 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，使得它有廣泛應用領域。 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性。 GPS定位信息依賴于無線通信網(wǎng)絡傳輸?shù)奖O(jiān)控調(diào)度中心。任何一種無線通信網(wǎng)絡都不能保證數(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 : 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性 。第二種存在時間上的若干相關性 。第三種與地理位置有很強的相關性。 淮陰師范學院畢業(yè)論文 14 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。 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，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、邊出站 )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(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。采用無線通信淮陰師范學院畢業(yè)論文 15 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的措施進行補償，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 測 內(nèi) 插中 期 丟 失繼 續(xù) 內(nèi) 插 ， 等待 補 傳長 期 丟 失轉 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 淮陰師范學院畢業(yè)論文 16 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平均速度 ，而應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。 淮陰師范學院畢業(yè)論文 17 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，轉而依賴數(shù)據(jù)的補傳，或采用傳統(tǒng)的人工服務，并采取相應的維護措施，檢查是否由于網(wǎng)絡原因或設備故障造成數(shù)據(jù)丟失。 小結 本章主要介紹 GPS的基礎知識，包括定位概念、分類、定位原理、基本組成和 GPS的應用等，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，設計了當 GPS發(fā)生丟失時的補償方案。 淮陰師范學院畢業(yè)論文 18 第三章智能公交服務系統(tǒng)車載終端的硬件設計 車載終端的概述 車載終端 (MDT)是安裝在受控車輛上，負責信息采集、信息傳送、信息處理、信息接收和車內(nèi)控制的設備。車載終端是整個公交系統(tǒng)關鍵的數(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，是智能公交服務系統(tǒng)中的關鍵設備。 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 備連接，寫入一定的程序，負責處理各種事件，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)單片機電路設計簡單，面向控制的功能強等特點，綜合了系統(tǒng)總體設計和上述情況，考慮到系統(tǒng)的最終維護，應該選擇主流產(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 淮陰師范學院畢業(yè)論文 19 89058等。 單片機的選擇 采用 W