【正文】 GPS信號接收機的任務是:能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導航電文，實時地計算出測站的三維位置，甚至三維速度和時間。對于陸地、海洋和空間的廣大用戶，只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設備，即GPS信號接收機。GPS模塊用于接收GPS衛(wèi)星的信號，并計算出車載終端目前所在位置。GPS接收機通過串行口向主控制器發(fā)送定位坐標。GPS接收機需要配備專門的GPS天線接收GPS衛(wèi)星信號。在車載GPS智能終端系統(tǒng)中，把天線放置在車頂可以有比較好的定位效果。也可以引導載體到達預定目標。這種接收機價格便宜，應用也廣泛。GPS接收機一般用蓄電池做電源。設置機內(nèi)電池的目的在于更換外電池時不中斷連續(xù)觀測。關機后，機內(nèi)電池為RAM存儲器供電，以防止丟失數(shù)據(jù)。測地型接收機用于精密相對定位時，其雙頻接收機精度可達5mm,單頻接收機在一定距離內(nèi)精度可達10mm。目前，各種類型的GPS接收機體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測。本系統(tǒng)采用的接收機可以達到其要求。 GPS定位的基本概念定位就是確定信息、事物、目標發(fā)生的時間和空間位置。時間與空間參考坐標系統(tǒng)的建立，一直就是測繪界和天文界最前沿的理論與技術研究方向，目前仍然在不斷發(fā)展之中。GPS定位方式可以分為絕對定位與相對定位方式兩種。在實際工作中，我們把直接確定信息、事件和目標相對于參考坐標系統(tǒng)的坐標位置測量稱之為絕對定位，而把確定信息、事件和目標相對于坐標系統(tǒng)內(nèi)另一已知或相關的信息、事件和目標的坐標位置關系稱之為相對定位。當用戶接收設計安置在動態(tài)的載體上，并處于動態(tài)的情況下，確定載體瞬時絕對位置的定位方法，稱為動態(tài)絕對定位。這種定位方法，被廣泛應用于飛機、船舶以及陸地車輛等動態(tài)載體的導航。目前，無論是動態(tài)絕對定位還是靜態(tài)絕對定位，所依據(jù)的觀測量都是所測衛(wèi)星至觀測站的偽距，所以，相應的定位方法通常也稱為偽距法。一般來說，絕對定位的概念比較抽象，涉及的技術比較復雜，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)的技術較為簡單、直接，高精度也容易實現(xiàn)一些。相當于地球上15m的范圍。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。 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。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。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。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。x,y,z表示用戶(接收機)位置的三維坐標。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。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+ (24) + (25) + (26) + (27) 式中c表示電磁波傳播速度，t是未知數(shù)。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。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。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。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。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。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。 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。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，不能用雙頻載波予以消除，但可用模型削弱。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。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。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。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。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。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。根據(jù)實際情況，可能存在以下三種原因的通信鏈路故障:。第二種存在時間上的若干相關性。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。，可以大致分為短時間、中等時間和長時間三種。（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)。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。（3）停車場 、修配廠、加油站附近。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。本論文分別研究出了硬件與軟件補償?shù)姆桨?。?）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)。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。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。 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。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。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。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。如圖24所示。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。（2）經(jīng)驗速度的計算及其分布。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。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。 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。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。如下圖31為車載終端總體框圖:單片機CPUCPU存儲器LEDLCD鍵盤GPS電源 語音GPRS話筒麥克風圖31車載終端總體框圖單片機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。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。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。經(jīng)過這種改進以后，在相同的時鐘頻率下，它的指令執(zhí)行速度比標準8051要快許多。整體來看。由于采用全靜態(tài)CMOS設計，W77E58能夠在低時鐘頻率下運行。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構，最大外部時鐘頻率為40MHZ（3）與標準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）軟件復位（16）2個16位數(shù)據(jù)指針（17）對外部RAM及外設的訪問周期可以進行軟件編程 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。另外要存儲器，微處理器的支持。車載