智能运输系统概论第6章.pptx
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1、目目 录录第第1 1章章 绪论绪论第第2 2章章 智能运输系统的体系框架智能运输系统的体系框架第第3 3章章 智能运输系统的理论基础智能运输系统的理论基础第第4 4章章 交通信息采集与处理技术交通信息采集与处理技术第第5 5章章 通信技术通信技术第第6 6章章 车辆定位技术车辆定位技术第第7 7章章 网络技术网络技术第第8 8章章 数据库技术数据库技术第第9 9章章 新技术在智能运输系统中的应用新技术在智能运输系统中的应用第第1010章章 交通信息服务系统交通信息服务系统第1页/共50页第第6 6章章 车辆定位技术车辆定位技术 概述概述6.1 GPSGPS定位技术定位技术6.2 北斗卫星定位技
2、术北斗卫星定位技术6.3 组合定位技术组合定位技术6.4 小结小结6.5第2页/共50页6.1 概述概述在在交交通通运运输输管管理理中中,卫卫星星定定位位导导航航系系统统与与GISGIS电电子子地地图图、无无线线电电通通信信网网络络及及计计算算机机车车辆辆管管理理信信息息系系统统相相结结合合,可可以以实现实现车辆跟踪车辆跟踪和和交通管理交通管理等许多功能。等许多功能。车车载载诱诱导导要要实实现现自自动动跟跟踪踪车车辆辆的的当当前前位位置置,并并为为出出行行者者提提供供从从当当前前位位置置到到目目的的地地的的最最优优路路径径,只只有有做做到到实实时时准准确确的当前的当前位置跟踪显示位置跟踪显示,
3、才能实现真正意义上的诱导。,才能实现真正意义上的诱导。因因此此,准准确确定定位位是是实实现现智智能能运运输输系系统统主主要要功功能能的的前前提提条条件件。车辆定位的目的与意义车辆定位的目的与意义第3页/共50页6.1 概述概述从目前发展情况来看可用于从目前发展情况来看可用于移动车辆定位移动车辆定位的的方法方法有:有:GPSGPS单单 独独 定定 位位、GLONASSGLONASS单单 独独 定定 位位、北北 斗斗 定定 位位、GPS/GLONASSGPS/GLONASS组组合合定定位位、GPS/DRSGPS/DRS组组合合定定位位、GPS/INSGPS/INS组组合合定位定位、GNSSGNSS
4、定位定位、GNSS/INSGNSS/INS定位定位、GSMGSM定位定位等。等。此外还有一些此外还有一些辅助的定位方法辅助的定位方法,如:,如:地地图图匹匹配配(Map Map MatchingMatching)技技术术,信信号号杆杆SPSP(Signal Signal PolePole),卫卫星星无无线线电电定定位位业业务务(Radio Radio Determination Determination Satellite ServiceSatellite Service,简称,简称RDSSRDSS)等。)等。第4页/共50页6.1 概述概述GPSGPS全全称称为为导导航航卫卫星星测测时时和
5、和测测距距/全全球球定定位位系系统统,英英文文全全 称称 为为 Navigation Navigation Satellite Satellite Timing Timing and and Ranging/Global Ranging/Global Positioning Positioning SystemSystem。目目前前在在地地球球上上空空已有已有2727颗颗GPSGPS卫星卫星(包括(包括3 3颗备份卫星)在运行颗备份卫星)在运行.GPSGPS定位系统定位系统GPSGPS已已经经成成功功地地应应用用于于大大地地测测量量、工工程程测测量量、航航空空摄摄影影测测量量、运运载载工工具具
6、导导航航和和管管制制、地地壳壳运运动动监监测测、工工程程变变形形监监测测、资资源源勘勘察察、地地球球动动力力学学等等多多种种学学科科,给给测测绘绘领领域域带带来来一场深刻的技术革命。一场深刻的技术革命。第5页/共50页6.1 概述概述全全球球海海军军导导航航卫卫星星系系统统(Global Global Navy Navy Navigation Navigation Satellite Satellite SystemSystem,简简称称GLONASSGLONASS)是是前前苏苏联联紧紧跟跟美美国国GPSGPS空空间计划平行发展的。间计划平行发展的。截截止止19951995年年底底,一一共共发
7、发射射了了7373颗颗卫卫星星。现现在在,在在轨轨道道上上正常运行的卫星有正常运行的卫星有2525颗颗,已经完成了,已经完成了24+124+1的星座布局。的星座布局。GLONASSGLONASS系系统统的的2424颗颗卫卫星星均均匀匀分分布布在在三三个个轨轨道道平平面面上上,每每个平面上分布个平面上分布8 8颗卫星,轨道平面相互间隔颗卫星,轨道平面相互间隔 。GLONASSGLONASS系系统统的的支撑系统是是由由地地面面上上的的5 5个个跟跟踪踪站站和和9 9个个监监控站控站组成,提供着组成,提供着GLONASSGLONASS卫星的卫星的导航电文。GLONASSGLONASS定位系统定位系统
8、第6页/共50页6.1 概述概述是是由由“两两弹弹一一星星”功功勋勋奖奖章章获获得得者者、中中国国科科学学院院院院士士陈芳允先生陈芳允先生于于19831983年提出来的。年提出来的。“北北斗斗一一号号”试试验验系系统统后后,第第二二代代北北斗斗卫卫星星导导航航系系统统的的建建设设也也拉拉开开序序幕幕,于于20072007年年4 4月月、20092009年年4 4月月、20102010年年1 1月和月和6 6月,各发射了四颗北斗卫星。月,各发射了四颗北斗卫星。20072007年年,与与美美国国的的GPSGPS、俄俄罗罗斯斯的的GLONASSGLONASS和和欧欧洲洲的的GalileoGalile
9、o卫卫星星导导航航系系统统一一起起被被确确认认为为全全球球四四大大卫卫星星导导航航系系统统。截截至至20122012年年底底已已成成功功发发射射了了1616颗颗“北北斗斗”导导航航卫卫星星,北北斗斗导导航航业业务务正正式式对对亚亚太太地地区区提提供供无无源源定定位位、导导航航、授授时服务时服务。北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统第7页/共50页6.1 概述概述伽伽利利略略定定位位系系统统(GalileoGalileo)是是欧欧盟盟一一个个正正在在建建造造中中的的卫卫星星定定位位系系统统,是是继继美美国国GPSGPS、俄俄罗罗斯斯GLONASSGLONASS及及中中国国北斗北斗后,第四个可以供民用
10、的定位系统。后,第四个可以供民用的定位系统。GalileoGalileo系系统统计计划划在在轨轨卫卫星星3030颗颗,建建成成后后将将提提供供开开放放服服务务、商商业业服服务务、公公共共规规范范服服务务以以及及生生命命安安全全服服务务等等四四种种导导航航服服务务。开开放放服服务务提提供供任任何何人人自自由由使使用用,信信号号将将会会广广播播在在1164-1214MHz1164-1214MHz以以及及1563-1591MHz1563-1591MHz两两个个频频带带上上。同同时接受两个频带的信号时接受两个频带的信号水平误差水平误差4 4米米,垂直误差垂直误差8 8米米。Galileo Galile
11、o定位系统定位系统第8页/共50页6.1 概述概述19961996年年,美美国国、俄俄罗罗斯斯、欧欧洲洲和和日日本本决决定定在在1998-1998-19991999年年期期间间采采用用一一套套被被称称为为GNSSGNSS(Global Global Navigation Navigation Satellite Satellite SystemSystem,全全球球导导航航卫卫星星系系统统)的的用用于于地地球球同同步卫星的步卫星的增强型卫星系统增强型卫星系统。随随着着世世界界各各国国对对卫卫星星导导航航的的重重视视和和发发展展,国国际际GNSSGNSS系系统统正正逐逐渐渐成成为为一一个个多多系
12、系统统、多多层层面面、多多模模式式的的复复杂杂组组合合系统。系统。美美国国航航空空无无线线电电技技术术委委员员会会(RTCARTCA)是是该该计计划划的的主主要要的的策策划划者者,开开发发GNSSGNSS系系统统的的宗宗旨旨是是为为了了利利用用所所有有的的导导航航卫星信息卫星信息。全球导航卫星系统全球导航卫星系统(GNSSGNSS)第9页/共50页6.1 概述概述数数字字蜂蜂窝窝移移动动通通信信中中被被广广泛泛使使用用的的GSMGSM(Global Global System System for for Mobile Mobile CommunicationsCommunications,全
13、全球球移移动动通通信信系系统),是由统),是由模拟蜂窝移动通信模拟蜂窝移动通信发展起来的。发展起来的。GSMGSM系系统统集集中中了了现现代代信信源源编编码码技技术术,信信道道编编码码、交交织织、均均衡衡技技术术,数数字字调调制制技技术术,话话音音编编码码技技术术以以及及慢慢跳跳频频技技术术,同同时时在在系系统统中中引引入入了了大大量量计计算算机机控控制制和和管管理理。GSMGSM系系统统提提供供多多种种电电信信服服务务,包包括括话话音音、电电文文、图图像像、传传真真、计算机文件、消息计算机文件、消息等。等。利利用用现现有有移移动动通通信信系系统统中中基基站站和和移移动动终终端端之之间间的的无
14、无线线电信号传播特征,同样可以实现电信号传播特征,同样可以实现移动站定位移动站定位。数字蜂窝移动通信定位系统数字蜂窝移动通信定位系统第10页/共50页6.1 概述概述航航位位推推算算技技术术(Dead-ReckoningDead-Reckoning,简简称称DRDR)是是自自主主定定位位的的,一一般般不不受受外外界界环环境境的的影影响响,可可以以通通过过自自身身的的推推算算得得出出车车辆辆载载体体的的位位置置和和速速度度信信息息,这这是是航航位位推推算算技技术术的的优优点点。但但是是,航航位位推推算算系系统统本本身身的的误误差差是是随随时时间间积积累累的的,因此它单独工作时因此它单独工作时不能
15、长时间保持高精度不能长时间保持高精度。另另外外,航航位位推推算算系系统统基基本本由由测测量量航航向向的的传传感感器器和和测测量量距距离离的的传传感感器器构构成成。测测量量航航向向角角的的传传感感器器主主要要有有磁磁罗罗盘盘、差差动动里里程程仪仪和和角角速速率率陀陀螺螺;测测量量距距离离变变化化的的传传感感器器主主要要有加速度计、里程仪、多普勒雷达等。有加速度计、里程仪、多普勒雷达等。航位推算技术航位推算技术第11页/共50页6.1 概述概述地地图图匹匹配配技技术术(Map Map MatchingMatching,简简称称MMMM)就就是是引引入入地地图图上上的的信信息息,通通过过将将定定位位
16、导导航航系系统统的的位位置置信信息息与与地地图图坐坐标标信信息息进进行行比比较较和和融融合合,从从而而提提高高整整个个系系统统的的定定位位精精度度。地图匹配的地图匹配的假设条件假设条件是是车辆应该行驶在道路上车辆应该行驶在道路上。当当导导航航系系统统确确定定的的车车辆辆位位置置精精度度不不高高时时,车车辆辆位位置置将将偏偏离离道道路路,地地图图匹匹配配技技术术就就会会找找到到一一条条最最近近的的道道路路,并并将车辆位置匹配到道路上。将车辆位置匹配到道路上。地图匹配技术地图匹配技术第12页/共50页第第6 6章章 车辆定位技术车辆定位技术 概述概述6.1 GPSGPS定位技术定位技术6.2 北斗
17、卫星定位技术北斗卫星定位技术6.3 组合定位技术组合定位技术6.4 小结小结6.5第13页/共50页GPSGPS定定位位采采用用空空间间被被动动式式测测量量原原理理,即即在在测测站站上上安安置置GPSGPS用用户户接接收收系系统统,以以各各种种可可能能的的方方式式接接收收GPSGPS卫卫星星系系统统发发送送的的各类信号,由各类信号,由接收机解算出接收机解算出站星关系和测站的站星关系和测站的三维坐标三维坐标。美美国国的的卫卫星星导导航航定定位位系系统统用用于于测测量量时时,用用的的是是WGS-84WGS-84坐坐标系标系。6.2.1 GPS定位原理定位原理第14页/共50页 如如图图所所示示,欲
18、欲确确定定平平面面上上一一点点O O的的位位置置,需需要要两两个个参参考考点点O1O1和和O2O2并并测测定定R1R1和和R2R2的的距距离离(3 3个个点点不不能能在在一一条条直直线线上上)。同同理理,确确定定三三维维空空间间中中一一点点的的位位置置,需需要要3 3个个参参考考点点,并并测测定定待待测测点点与与这这3 3个个参参考考点点的的距距离离(4 4个个点点不不能能在在一一个个平平面面上上)。因因此此,理理想想情情况况下下,通通过过测测定定地地球球上上某某一一点点与与3 3颗颗卫卫星星的的距离距离,即可确定该点的,即可确定该点的空间位置空间位置。6.2.1 GPS定位原理定位原理第15
19、页/共50页GPSGPS的的卫卫星星时时钟钟基基频频f0=10.23MHzf0=10.23MHz,在在L L频频段段上上配配有有两两种种基频基频:L0L0载波:载波:fL1=154 f0=1575.42MHzfL1=154 f0=1575.42MHz;L1L1载波:载波:fL2=120 f0=1227.60MHzfL2=120 f0=1227.60MHz;GPSGPS的的每每一一颗颗卫卫星星连连续续不不断断地地发发送送可可跟跟踪踪的的惟惟一一编编码码序序列列,GPSGPS接接收收机机据据此此辨辨认认相相关关卫卫星星。GPSGPS的的测测距距码码(P P码码和和C/AC/A码码)和和数数据据码码
20、都都是是采采用用扩扩频频伪伪码码的的调调相相技技术术PSKPSK调调制制到到载载波波上上去去的的。在在L1L1频频段段上上有有数数据据流流和和两两种种测测距距码码分分别别以以同同向向和和正交正交方式进行调制,其方式进行调制,其信号结构信号结构为:为:6.2.1 GPS定位原理定位原理第16页/共50页6.2.1 GPS定位原理定位原理在在L1L1频段上只有频段上只有P P码进行码进行双向调制双向调制:将将卫卫星星与与接接收收机机振振荡荡器器产产生生的的码码序序列列进进行行相相关关处处理理就就完完成成了了对对某某一一卫卫星星的的跟跟踪踪和和锁锁定定;进进一一步步进进行行解解调调,可可得得到到导导
21、航航电电文文 ,又又可可求求出出卫卫星星信信号号的的传传播播时时间间,乘乘上上光光速速便便得得到到从从卫卫星星到到接接收收机机的的伪伪距距。GPSGPS定定位位是是通通过过伪伪距距测测量量得得到到的的,由由于于存存在在时时钟钟差差、大大气气效效应应、接接收收机机误误差差,这这里里的的伪伪距距并并非实距,伪距数学表达式为:非实距,伪距数学表达式为:只只要要同同时时观观测测到到4 4颗颗卫卫星星,就就可可实实现现三三维维定定位位(经经度度、纬度、高度)。纬度、高度)。第17页/共50页6.2.2 GPS定位误差分析定位误差分析1 1)电离层延迟误差)电离层延迟误差电电离离层层引引起起信信号号的的延
22、延迟迟,相相位位传传播播的的超超前前,它它们们大大小小相相等等、符符号号相相反反。电电离离层层传传播播的的影影响响与与沿沿卫卫星星和和用用户户接接收收机机视视线线方方向向的的总总的的电电子子数数(TECTEC)有有关关,与与信信号号频频率率的的平平方方成成反比。反比。TECTEC的函数关系复杂,与时间、位置和太阳活动有关。的函数关系复杂,与时间、位置和太阳活动有关。2 2)对流层的延迟影响)对流层的延迟影响 对对流流层层传传播播延延迟迟是是由由于于电电磁磁波波信信号号通通过过对对流流层层时时,其其传传播播速速度度小小于于光光速速引引起起的的附附加加延延迟迟,一一般般可可达达220m220m。它
23、它一一般般与与湿湿度度、大大气气压压、温温度度以以及及高高度度角角有有关关。对对流流层层影影响响变变化缓慢,呈低频特性。化缓慢,呈低频特性。第18页/共50页6.2.2 GPS定位误差分析定位误差分析3 3)SASA的影响的影响 SASA即即选选择择可可用用性性(Selective Selective AvailabilityAvailability)。在在所所有有的的GPSGPS工工作作卫卫星星上上实实施施SASA政政策策,使使水水平平定定位位精精度度降降低低至至100m100m,垂垂直直定定位位精精度度为为156m156m,时时间间精精度度为为175ns175ns。SASA政政策策已已于于
24、20002000年年5 5月月1 1日停止使用。日停止使用。4 4)星历误差)星历误差 卫卫星星星星历历误误差差是是由由于于星星历历预预报报与与模模型型的的不不完完善善而而导导致致的的,它它直直接接影影响响了了卫卫星星位位置置的的解解算算,从从而而导导致致定定位位解解的的误误差差。卫卫星星星星历历是是周周期期性性变变化化规规律律,一一般般始始于于一一个个均均匀匀分分布布的值,之后呈指数规律变化,直到下一星历注入。的值,之后呈指数规律变化,直到下一星历注入。第19页/共50页6.2.2 GPS定位误差分析定位误差分析5 5)地球自转的影响)地球自转的影响在在计计算算卫卫星星和和用用户户之之间间的
25、的距距离离时时,涉涉及及到到卫卫星星发发射射信信号号的的时时刻刻和和用用户户接接收收信信号号的的时时刻刻,而而计计算算时时用用到到的的地地心心坐坐标标系系,只只能能是是某某一一时时刻刻的的瞬瞬时时坐坐标标系系,在在发发射射时时刻刻到到接接收收时时刻刻这这一一时时段段,惯惯性性坐坐标标系系中中的的用用户户、卫卫星星随随坐坐标标系系一一起起运运动动,所所以以计计算算几几何何距距离离时时,要要考考虑虑地地球球自自转转的的修修正正,从从而而消除惯性坐标系对距离计算造成的误差。消除惯性坐标系对距离计算造成的误差。6 6)接收机相关误差)接收机相关误差接接收收机机相相关关误误差差主主要要包包括括通通道道偏
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