（控制理论与控制工程专业论文）智能车辆优化调度管理系统.pdf

撕北i ：业人学坝l ：论义 摘要 摘要 奉文研究的内容是组建一个g p s g s m 车辆智能管理调度系统。并重点研究 了该系统的设计、实现以及用线性规划算法实现车辆智能调度的问题。首先综述 了组建该系统所涉及到的全球定位系统、全球移动通信系统、智能交通( i t s ) 等技术的概况和发展。然后根据系统所要实现的功能确定出系统的总体设计方 案。在系统设计中，主要完成了车载移动终端的设计和管理调度中心的调度算法 设计。车载单元采用了i n t e l m c s 5 1 系列单片机作为主控芯片并辅以外围电路， 实现车载移动单元的g p s 信息的采集、处理、记录和传输。移动车辆和管理调 度中心之间的通讯手段采用了g s m 公共移动网络，调度控制指令和车辆( 3 p s 数 据以g s m 短信息的形式传送。管理调度中心软件系统采用了d e l p h i 、v b 语言 实现，完成了对移动车辆的监控、管理、调度和日常的数据管理功能。 论文还探讨了该系统在广州工业大学交通运输中心的实际应用问题，并把线 性规划算法( l i n e a rp r o g r a m m i n g ) 应用到车辆调度的实际系统中。线性规划算 法作为运筹学的一个分支，它是实现管理现代化的有力工具。在通过g s m g p s 系统获取车辆实际运行信息后，不断地在已运行车辆的运行信息的基础上用线性 规划算法来优化车辆调度的方案，最终实现车辆的智能管理调度，提高车辆的运 行效牢，降低运输成本。通过实验证明，采用线性规划算法实现车辆调度是非常 有效和可靠的，收到了良好的效果。 关键训： 车辆管理调度系统全球移动通信系统 全球定位系统线性规划 智能交通系统 i ) 1 i 北 业人学颂卜沦叟摘要 a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o ni sm a i n l yt o a c c o m p l i s hag p s g s mv e h i c l e s i n t e l l i g e n t m a n a g e m e n ta n dd i s p a t c h i n gs y s t e m ，a n di m p o r t a n t l yt os t u d yt h es y s t e m sd e s i g n ， r e a l i z a t i o na n dt h es o l u t i o nt oi n t e l l i g e n tm a n a g e m e n ta n dd i s p a t c h i n go fv e h i c l e s f i r s t l y ，i ts u m m a r i z e st h eg e n e r a ls i t u a t i o na n dp r o g r e s si no r i e n t a t i o n ，n a v i g a t i o n ， m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，e l e c t r o n i c st e c h n o l o g yr e l a t e dt ot h es y s t e m ，t h e ns c h e m eo u t t h ew h o l ed e s i g np r o j e e to fs y s t e ma c c o r d i n gt ot h es y s t e m sf u n c t i o n s ，a n ds t a r tt o d e s i g na n dr e a l i z ee v e r ys e g m e n t so ft h ew h o l es y s t e m i nt h ep r o c e s so fe v e r y s e g m e n t sd e s i g n , m a i nm a s k sa r et h ed e s i g no fm o b i l et e r m i n a l ，s o f t w a r ep r o g r a mo f t h em a n a g e m e n ta n d d i s p a t c h i n gc e n t e r , a n ds y s t e mi n t e g r a t i o n t h ed e s i g no f m o b i l e t e r m i n a lc o n s i s t so ft h eh a r d w a r ec i r c u i t s d e s i g n ，f a c t u r e ，r e a l i z a t i o na n dt h e p r o g r a m m i n go fa s s e m b l yl a n g u a g e w i t ht h ea s s i s t a n c eo fp e r i p h e r yc i r c u i t s ，m o b i l e t e r m i n a lc o m p l e t et h ec o l l e c t i o n ，d i s p o s a l ，s t o r a g ea n dt r a n s m i s s i o no fm o b i l e 。v e ，h i c l e s g p si n f o r m a t i o n ，t h er e c e i v i n ga n de x e c u t i o no fd i s p a t c h i n ga n dc o n t r o l c o m m a n d st ? o mm a n a g e m e n ta n dd i s p a t c h i n gc e n t e r t h ec o m m u n i c a t i o nm o d e b e t w e e no fm o b i l ev e h i c l e sa n dm a n a g e m e n ta n dd i s p a t c h i n gc e n t e ra d o p t sp u b l i c c , s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) t h ed i s p a t c h i n ga n dc o n t r o l c o m m a n d s ，v e h i c l e sg p si n f o r m a t i o na r et r a n s m i t t e di nt h ef o r mo fs m s ( s h o r t m e s s a g es e r v i c e ) p r o g r a m m e db yd e l p h i ，v i s u a lb a s i cl a n g u a g e ，t h es o f tw a r e s y s t e mo ft h em a n a g e m e n ta n dd i s p a t c h i n gc e n t e r f u l f i l st h es u r v e i l l a n c e ， m a n a g e m e n ta n dd i s p a t c h i n go f m o b i l ev e h i c l ea n dd a i l yd a t am a n a g e m e n t m o r e o v e r , t h es y s t e m sa p p l i c a t i o nt ot h et r a f f i cc e n t e ro fg u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y i ss t u d i e d ，a d o p t i n gl i n e a rp r o g r a m m i n g ( l p ) l pi sa ne m b r a n c h m e n to f o p e r a t i o n a l r e s e a r c h ，w h i c hi sag o o dt o o li nm o d e mm a n a g e m e n t c o n t i n u o u s l yo p t i m i z i n gt h e d i s p a t c h i n gp r o j e c tw i t hg e n e t i ca l g o r i t h ma f t e rf a c t u a lr u n n i n gi n f o r m a t i o no ft h e d i s p a t c h e dv e h i c l e si so b t a i n e dv i at h eg s m g p ss y s t e m ，e v e n t u a l l yt h ea i mo ft h e i n t e l l i g e n tm a n a g e m e n ta n dd i s p a t c h i n go ft h ev e h i c l e s ，i m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo f t h ev e h i c l e si sa c h i e v e d ，r e d u c i n gt h ec o s to ft h et r a n s p o r t a t i o n t h r o u g he x p e r i m e n t 西北1 j 业人学坝l 论文 捕要 r e s u l t s ，w ec a nc o m et ot h ec o n c l u s i o nt h a tl pi nr e a l i z i n gt h ei n t e l l i g e n tm a n a g e m e n t a n dd i s p a t c h i n go ft h ep u b l i ct r a f f i cv e h i c l e si sc o r r e c t ，r e l i a b l ea n dv a l i d ，a c h i e v i n g g o o da n t i c i p a t i v ee f f e c t s k e yw o r d s ： g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m g l o b a ls y s t e mf or m o b i l ec o n m u m i c a t i o n i n t e l l i g e n tt r a n s p o l 1s y s t e m l i n e a rp r o g r a m m i n g 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 1 。1 课题构意义 第一章绪论 麓着国民经济的高速发展和城市化、机动化进程的加快，城市规模不断扩大， 机动车拥有量及道路交通流量急剧增加，特别是大城市，随着私人车辆急速增加 使得交通运行不畅。尽管修建了大量的交通设施，但是交通拥挤现象仍十分严重。 国内外多年实践经验表明，解决城市交通问题的重要途径就是发展智能交通系统 i t s ，提离道路通行能力和车辆运营管理水平。 警能交通系统i t s 是美国、日本和欧洲等发达国家为解决交通拥挤、交通事 故、能源和环境问题，建立高效、安全的运输系统而正在研究开发的新一代道路 交通系统，其实质就是运用当代的高新技术综合解决交通运输问题。i t s 的最终 目的是建立快速、准时、安全、便捷和舒适的交通运输体系，以保证社会经济可 持续发展，建立与人类生存环境相协调的、良好的交通运输。 i t s 是将先进的信息技术、定位导航技术、数据通信传输技术、自动控制技 术、图象分析技术以及计算机网络和信息处理技术等有效地综合运用于整个交通 蟹理体系，建立起一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时，准确、高效的运 输综合管理系统。因此i t s 技术的开发研究，将现有各自单独存在的车辆状态过 渡到车辆和道鼯融合，加强道路、车辆、驾驶员以及管理人员的联系，实现道路 交通管理自动化、车辆行车可视化和车辆调度智能化。使得管理人员对车辆行驶 状况了如指掌，驾驶员则对车辆的运行情况也能一清二楚，减少道路堵塞，从而 撼商道路运输效率和行车安全。 发展智能交通系统，首先必须改善交通运输的效率，提高交通的运输能力。 维持城市的可持续发展。同时城市还必须依靠多平面、多模式、智能化的交通运 输系统。运输系统的任务是在一定时间内利用有限的车辆资源，通过优质的运输 服务而满足不同客户需求并获取相应的利润。由于市场需求不断扩大，车辆资源 又是有限的，因而资源使用者之间对有限车辆资源的需求在时间上和运输服务上 存在冲突和矛盾。车辆优化调度管理的任务就是有效管理和合理分配有限车辆资 源，调整供需平衡，以解决供需矛盾，达到所求目标最佳。而调度问题本身的组 西北工业大学硕士论文第一章绪论 合优化特征存在近似复杂性，实际调度系统所采用的数学模型都对运行环境作了 大大简化，因此仅靠已有的寻优改进，还远远不能满足运营调度方案的实时性和 有效性要求。要克服传统调度方法存在的弊端，使其能有很好的满足实际需要， 就必须将全球定位技术( g p s ) 、现代通讯技术( g s m ) 和动态线性规划的方法 引入车辆优化调度管理中，利用规划算法、调度经验以及现代电子技术来缩小搜 索空间，尽快找到满意解，形成合理有效的调度方案。 1 2 课题研究的背景 车辆智能管理调度系统是将先进的g p s 卫星定位技术、数据通讯传输技术、 电子信息技术等有效的集成运用于地面运输车辆管理体系中，从而建立一个在大 范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的车辆运行和管理系统。该系统 将汽车、驾驶员、乘客相互联结起来，使汽车在道路上的运行功能智能化。从而， 合理的配置运输资源，使路网上的交通流处于最佳状态，改善交通拥挤和阻塞， 最大限度地提高路网的通行能力，提高整个公路运输的机动性、安全性和生产效 率。 现代科学技术的发展为车辆智能管理调度系统的研究和应用提供了技术上 的保障，而社会经济发展对交通畅通的迫切要求为车辆智能管理调度系统的研究 和应用提供了必要的社会支持和实际应用领域。 一方面，现在科学技术的发展为车辆智能管理调度系统提供了技术上的保 障。1 9 9 4 年3 月2 8 日全球定位系统的2 4 颗卫星发射完毕，系统开始正常运行。 g p s 能连续、实时提供高精度三维位置和速度数据，且能全球覆盖、全天候工作。 系统具有p 码和c a 码两种伪随机码，p 码仅为特许用户使用，c a 码可供全世 界所有用户使用。实验表明：c a 码可达到2 0 ，3 0 m 定位精度的能力。为了进一 步提高定位精度，不少国家和集团正在应用和研究差分g p s ( d g p s ) 技术。d g p s 的定位精度可以达到米级，甚至更高。因此，g p s 可应用到车辆的定位导航领域， 为车辆智能管理调度系统提供了定位技术方面的保证。另外，信息产业的迅猛发 展为交通运输业的信息化、智能化提供了数据通讯技术、电子技术和计算机处理 技术等条件，特别是移动通讯的迅速发展为智能导航系统提供了灵活而可靠的通 2 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 讯技术保障。 另一方面，随着我国改革开放的不断深入，城市化进程不断加快，交通事业 飞速发展，人们对交通需求越来越迫切。我国政府部门准备加大力量解决交通发 展问题。科技部将i t s 智能交通作为“十五”期间科技发展战略目标：交通部、 公安部等有关部门将i t s 作为发展交通运输，减少拥堵和事故，改革城市交通， 建立安全体系，保证城市可持续发展的有力措施。这些都给智能交通体系在中国 的发展提出越来越追切的要求，而智能交通系统中占有重要地位的车辆智能管理 调度系统更是发展的重中之重。 因此，车辆智能管理调度系统的研究和应用既有技术上的可行性，又有实际 应用的迫切需求，具有广阔的开发和应用前景。 1 3 国内外现状 车辆调度问题产生于现实的公路运输，于1 9 5 9 年由d a n t z i g 和r b _ r n s c r 首次 提出。从此，为改善交通运输的现状和提高运输车辆的运营效率，国内外学者在 此问题上作了大量的努力和研究。结合车辆调度的实际，提出了很多关于车辆调 度的模型和优化算法。这些算法基本上可分为优化算法和启发式算法两大类。但 由于优化算法在实际应用中应用范围有限，为此专家们主要把精力花在构造高质 量的启发式算法上l l l 。目前提出的启发式算法相当多，大体上可分为以下几类： 1 先分组后安排路线的方法 这种方法先把节点和弧进行分组和划群，然后对每一组设计一条经济的路 线。如g i u e t t 和m i l l e r 的s w e e p 算法，其目的在于形成需求点的径向区域， 从车场发出的射线“扫过”这个区域，是不超过车辆的容量的需求点组成一 个区域，一个区域就是一个组，当形成一系列这样的组后，在对每一组中的 各点安排线路。 2 先安排路线后分组的方法 这种方法首先构成一条或几条很长的路线，它包括了所有需求对象，然后再 把这些很长的路线划分成一些短而可行的路线。具体进行时，一般是先解一 个经过所有点的旅行商问题，形成一条路线，然后再根据一定的约束( 如车 辆容量等) 对它进行划分。 西北土业大学硕士论文 第一章绪论 3 节约插入算法 该算法的每一步，把当前的线路构性( 很可能是不可行的) 更另外的构性( 也 可能是不可行的) 进行比较，后者或是根据某个判别函数会产生最大限度的 节约的构性，或是以最小代价把一个不在当前构性上的需求对象插入进来的 构性，最后得到一个比较好的可行构性。 4 改进交换法 在始终保持解可行的情况下，力图向最有目标靠近，每一步都产生另一个可 行解以代替原来的解，使目标函数值得以改进，一直继续到不能改进目标函 数值为止。如c h r i s t o f i d e s 和e i l o w 的算法，把问题先转换成一个旅行商问题 的到初始解，然后应用交换法2 - o p t 或3 - o p t 来改进初始解。 5 基于数学规划的算法把问题直接描述成一个数学规划问题，根据其模型的特 殊构形，应用一定的技术( 如分解) 进行分划，进而求解已被广泛研究过的 子问题。如f i s h e r 和j a i k u m a r 把车辆路线安排问题构造为一个广义分派问题， 并提出下述启发式算法：首先把问题描述为一个数学规划问题，再将问题分 解成一个旅行商问题和一个分派问题。对每一辆车将顾客进行分派，这通过 解一般分派问题来得到。每辆车为它的顾客服务，以一个近似等于旅行商线 路的费用为目标，分派一旦做出，通过应用一些旅行商问题的启发式算法或 优化算法来得到每辆车的行车路线。 6 交互式优化法 把人的因素结合到问题的求解过程中，其思想就是：有经验的决策者应具有 确定和修改参数的能力，并且根据知识直感，把主观估计加到优化模型中去。 纵观国内外学者所涉及的运输调度问题的研究，多数研究问题属于车辆行程 安排( 一点到一点或者一点到多点) 的优化问题，而且所研究的运输问题也只是 适应一些特殊的情况，距实际应用还有一定的距离。 另外还由于缺乏现代化通信手段和车辆定位技术，传统调度无法实时了解运 营车辆情况，难以及时有效地采取调度措施。运输车辆调度处于“看不见、听不 着”落后现状，具有较大的盲目性和滞后性。 4 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 1 。4 论文的主要内容和工作要点 针对实际调度中存在的上述问题，本文结合实际，采用了先进的全球定位系 统、无线通讯系统和动态规划算法，设计了智能车辆管理调度系统，它是一个动 态的、开放的实时系统。该系统具有监控车辆、与车辆实时通讯、自动调度车辆 的功能。对任何时刻的任务请求和突发性事件，系统都可以及时的做出合理的调 度，满足用户的需要。 本人负责了车载系统的软、硬件设计。在硬件设计中主要完成了系统的数据 接收、存储、显示等各个功能模块的电路设计和调试。在软件设计中，主要编制 了g s m 通讯、液晶显示和c f 卡的纪录等程序。并参与了系统的跑车调试。 在论文最后，作者还利用动态线性规划的算法设计了车辆动态优化调度的仿 真程序，这种算法能够根据不同时刻车辆和任务的位置，解算出合理的调度结果。 论文各章节的内容如下：第二章介绍了g p s 定位理论：第三章介绍了智能 车辆优化调度管理系统的组成和工作原理；第四章介绍了车载系统的硬件设计： 第五章介绍了车载系统的硬件设计；第六章介绍了车辆调度的线性规划算法。 两北t i 业大学倾i 论文 第二章g p s 的定位联理 第二章g p s 的定位原理 g p s 系统是出美国国防部的海陆空三军在7 0 年代联合研制的新型卫星导航 一 系统17 1 ，它的英文名称是“n a v i g a t i o ns a t e l l i t et i m i n g a n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n s y s t e m ”，即“卫星测试测距导航全球定位系统”，简称g p s 系统。该系统是以 卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性( 陆地、海洋、航空和航天) 、 全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时功能。能为各类用户提供 精密的三维坐标、速度和时问。 g p s 定位原理实质上就是测量学的空间测距定位，利用在平均2 0 ，2 0 0 k m 高 空均匀分佑在6 个轨道上的2 4 颗定位卫星，发射测距信号码和载波，用户通过 接收机接收这些信号测量卫星至接收机之距，通过一系列方程演算，便可知地面 点位坐标。 2 1 g p s 的组成 g p s 由三部分组成：g p s 空间部分、地面部分和g p s 用户接收机部分。g p s ，的系统结构图如图2 1 所示。 、j 、 图2 1g p s 系统结构 两北t 业人学碳卜埝史第二章g p s 的定位版理 2 1 i g p s 空间部分 g p s 空问部分由2 4 颗分布在6 个等问隔轨道上韵卫星组成。卫星分布可 保证全球任何地区、任何时刻都不少于4 颗卫星可供观测。2 4 颗卫星中3 颗作 为备份。每个轨道平面上由4 颗卫星，它们按与地球成5 5 的相同方向运行，空 间制隔约为9 0 。这些卫星工作在2 中频率下：1 5 7 5 4 2 m h z 和1 2 2 7 6 m h z ，卫 星识别码、携带星历和星钟参数的导航电文都调制在这两个频率上。通过测量这 些卫星到达的时间，用户可以用4 颗卫星确定4 个导航参数：纬度、经度、高度 和时问。 每个g p s 卫星都对应一组编号，它们由多种编号，一般按采用p r n ( 卫星 所采用构伪髓机噪声码) 编号。o p s 定位精度高低关键在于高稳定度的频率标准。 为此，每颗g p s 卫星都设有两台铷原子钟和两台铯原子钟。 2 1 2 地面部分 地面运行控制系统( o c s ) 由一个主控站、五个监测站和三个地面控制站组 成。运行控制部分的主要任务是跟踪所有卫星，进行轨道测定和星钟测定，预测 修难模型参数，星钟同步及向卫星上行注入数据、电文和发送指令。降低精度的 选择也用牲( s a ) 控制也由o c s 完成。 1 主控站 主控站位于美国科罗拉多州的法尔肯空军基地，它负责对卫星控制和整个系 统的工作。主控站从各监测站收集跟踪数据计算卫星轨道和星钟参数，然后将结 果送至地面控制站，以便最终向卫星发送指令和数据。 2 监测站 监测站负责对视见卫星检测采集数据。每个监测站配有精密铯原子钟和精密 接收机，对所有视见卫星进行跟踪测定伪距，采集电离层和对流层电波传输延时 数据，分别按规定的采样问隔测定算出后发送给主控站。 3 地而控制站 地俩控制站负责向卫星匕行发送信息。它主要把从主控站传来的各卫星星历 数折：j ；f 星钟参数通过s 波段射频链路向各视见卫星做 二行注入。 两北t 业人学颂l 论文 第二章g p s 的定位蹑理 2 1 3 g p s 用户接收机 用，o 接收机通过接收多颗卫星的信号来解算出自身的位置以实现定位和导 航。g p s 接收枫按使用环境可分为中、低动态接收机和高动态接收机；按所收信 号可分为单频c a 码接收机和双频p 码和y 码接收机。 g p s 接收机可以捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星信号。并跟 踪这些卫星的运行，对所接收到的g p s 信号进行变换、放大和处理，以便测量 出g p s 信号从卫星到接收机天线的传播时间，解释出g p s 卫星所发送的导航电 文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。 2 2g p s 定位原理 g p s 接收视接收来自卫星的导航信息包括：卫星星历及卫星钟校正参量、测 距时问标记，大气附加延时校正参量和与导航有关的其它信息。接收机利用星历 资料计算卫星的位胃，利用伪随机码或载波相位测量者到卫星的距离，最后解算 导航方程求观测者位置的经纬度。 2 2 1g p s 卫星信号的构成 譬驴s 卫星信号是由低码率导航电文( d 码) 经过二级调制( 扩频) 形成的1 2 。 先以5 0 h z 韵d 码调制p 码或c a 码( 码率为1 0 2 3 m h z 或1 0 2 3 m h z ) ，得到 的组合码再去调制波段的载波，实现d 码的第二次调制，形成向用户发送的 已调制信号。g p s 信号使用两种载频，厶载波为1 5 7 5 4 2 m h z ，用于p 码及c a 码两种码的调制；厶载波为1 2 2 7 。6 m h z ，仅用于p 码的调制。 在厶载频上有数据流和两种伪随机码分别以同向和正交方式进行调制，信 号结构为： s = 彳p 只( f ) d ，( t ) c o s ( c o l 。t + 妒1 ) + a c e , ( t ) d , ( t ) s i n ( t o l ，+ 妒1 ) 在，载频j 二，只有p 码进行双相调制，其信号结构为： s 岛= b p e ( r ) d i ( t ) c o s ( c o l , t + 妒2 ) 两北丁业人学颂i ：论文第二章g p s 的定位版理 式中：a 。b 。a 。分别为p 码和c i a 码的振幅； 尸( f ) c 。( ，) 分别为p 码和c a 码的振幅； 口( f ) 为数据流； “，魄，为载波和三2 的角频率； 9 ，垆。为信号的起始相位。 c a 码是由m 序列优选对组合形成的g o l d 码( g 码) f ”。用两个1 0 级反馈 移位寄存器相组合可产生1 0 2 3 种不同结构的c a 码，这些相异的c a 码，其码 长、周期和数码率均相同：码长为2 ”一1 = 1 0 2 3 ；码元宽度 = 1 t ，0 2 3 m h z 0 9 7 7 5 2 u s ( 相应距离为2 9 3 1 m ) ；周期为l m s ：数码率 = 1 0 2 3 m b i t s 。c a 码的码长很短，易于捕获，通过捕获c a 码所提供的信息， 由能够进一步捕获p 码，因为c a 码又称捕获码。不同的卫星具有不同的c a 码，g p s 依次来区分不同的卫星及其信号。在g p s 定位和导航中，为了捕获c a 码以测定卫星信号传播的时延。通常需要对c a 码逐个搜索。c a 码的码元宽度 大，假设两个序列的码元对齐误差为码元宽度的l 1 0 0 1 1 0 ，则这时相应的测距 误差可达2 9 3 2 9 3 m ，精度较低，所以c a 码也称粗码。 p 码的产生原理与c a 码相似。p 码的特征有： 1 ) 码长为2 3 5 ，4 6 9 ，5 9 2 ，7 6 5 ，0 0 0 b i t ； 2 ) 码元宽度为1 l o 2 3 m h z * 0 0 9 7 7 5 2 u s ( 相应距离为2 9 3 l m ) ： 3 ) 周期为2 6 6d 9 h 4 5 m i n5 5 5s ： 4 ) 数码率为1 0 2 3 m b i t s 数据码( d 码) 由地面监控系统生成，又称导航电文，它包括：卫星星历、 时钟改币、电离层时延改正、大气折射改正、轨道摄动改砸、卫星工作状态以及 c a 码转换至蠊# 提p 码的信息。导航电文的格式为：主帧、子帧、字码和页码， 其綮本币位足长达15 0 0 b h 的一个主帧，其传输速率是5 0 b i f f s 。每个主帧包括5 个子帧。6 d 三个子帧各有1 0 个码字，每个码字3 0 b i t ；第4 、5 个码字各有2 5 个 页面，共有1 5 0 0 0 ( = 2 5 * 3 0 0 * 2 ) b i t 。一帧完整的电文共有3 7 5 0 0 b i t ，用时长达 舶北r 业人学坝i 论文 第二章g p s 的定位原理 2 2 2g p s 定位的基本原理 g p s 采用高轨测距体制，以观测站至g p s 卫星之间的距离作为基本观测量。 为了捕获距离观测量，主要采用两种观测方法：一是测量g p s 卫星发射的测距 码信号( c a 码和p 码) 到达用户接收杌的传播时间；一是测量接收机接收到的 具有多普勒频移的载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。载波相 位观测是目前最精确的观测方法，它对精密定位工作具有极为重用的意义。但由 于载波相位观测存在整周不确定、周跳和半周跳等现象，因此其数据处理比较复 杂。 在导航和动态定位系统中，主要有两种定位方式：单点定位和差分定位1 8 i 。 所渭单点定位，就是独立确定待定点在地心坐标中的绝对位置。该方法的优点是 只需一台接收机。但由于单点定位的结果受卫星星历误差和卫星信号传播过程中 的大气延迟误差的影响比较显著，定位精度较差。所谓差分定位，就是将一台接 收枫安静在地面上已知点上作为基准点，并与所有待测点的接收机进行同步观 测。基准点根据其精确已知的坐标可以求出定位结果的坐标改正数( 位置差分法) 或伪距观测量的改正数( 伪距差分法) ，然后通过数据链把这些改正数实时传送 给相关用户。用户利用这些改正数对自己的定位结果或者伪距观测量进行改正。 从而提高定位结果的精度。虽然基本观测量的观测方法有测距码和载波相位之 分，定位方式有单点定位和差分定位之分，但不论使用何种观测方法和何种定位 方式，其基本原理都是一致的。我们仅采用测距码观测方法的单点定位方式为例。 说明g p s 定位的基本原理心1 。 假定f 。j 和t ，分别表示卫星，发射信号时的g p s 时和卫星钟时刻，巧和丁 分别表示接收机收到该卫星信号时的g p s 时和接收机钟时刻，则卫星信号传播 的时叫为 f 。= 一t g 。 但是，实际j 二我们只能测的t ，和丁。因此实际测得的卫星信号传播时阍为 两北1 r 业人学颂l ? 论文第二章g p s 的定位鼯理 f = t t s a t 1 1a t 分别表示卫星钟和接收机钟时刻的偏差，即 a t 7 = r 。一，g a t = t 一 则有 r 。= ( 死一，g ) + ，一， 稃计入信号传播时过程中经历的电离层、对流层和多经延迟等误差，得到 f = ( 瓦一t 6 。) + & 一址。+ f + a t + a t m 将上式两边同乘以光速c ，得到 p = r + f a 心一c a t 7 + e 越础+ c a t 船+ c 址郴7 ( 2 ，1 ) 式中，r ，：扳i i 巧i 了百两，为接收机到卫星的几何距离， ( 工，y ，x ) 。( x ，y ，z 。) 为接收机和卫星，在地心空间直角坐标系中的三维坐标；p 是实际上可得到的距离观测量，由于不同于真实距离r ，所以常称为“伪距”。 式2 1 便是g p s 定位的基本观测方程。由于卫星钟差& ，可由地面监控系统测定 | 蔓德簿过卫星发射的导航电文提供给用户电离层和对流层传播延迟出。和 c a t 。r 陋琵用导航电文提供的电离层和对流层参数模型进行校正( 当然校正后人 仍存在残差) ，因此方程( 3 3 ) 中有x ，y ，z ，a t 4 个未知量需要求解。为了求这4 个未知量，至少需要对4 颗卫星进行观测。假设某一时刻观测到的卫星数为 n ( n2 4 ) ，则可以得到观测方程组 p = r 7 5 - c a t - c a t + c a t 。7 + c a t f m + c a t ，= 1 ，2 ，n( 2 2 ) 给定接收机的概略位置= ( ，y 。，z 。) ，对上面方程组中的每一式应用t a y l o r 展 一 开并略去高次项，得到： 要( 啪缸+ 豢( ，o ) 妙+ 要( ，o ) a z + 6 缎疗p应 = p + c a t 一c a t 。- c a t ，。1 - c a t 。一r j ( ，0 ) ，= 1 ，2 p q 北i ，业人学坝i ：论义 第二二章g p s 的定位鼠理 式中，b = c a t ；a x = x x o ：a y = y - y o ；a z = z z o 。求出上式中r 的偏导数 后，式( 2 3 ) 可改写成 e i x + p 2 x + e 3 a x b = 尺7 ( ) 一p 。一c a t + c a t 。+ c a t t , o + c a t ，j = 1 ，2 ，- ，n ( 2 4 ) 式中，e ，8 ：7 ，e ，为从接收机到j 颗卫星的方向余弦。将上述方程组写为矩阵 形式，得到： g x = l( 2 5 1 式q ， g = p l lp 2 l 22 e lp 2 e i e 2 包1 1 e 3 2 1 ， e 3 ”一1 x = 阻a y a z 6 r l = l 1 ，2 ，”】r 用最小二乘法求解，得方程： g 7 g x = g 7 l ( 2 6 ) 当g 7 g 为非奇异时，其解为： x = ( g 1 g ) 。g l( 2 7 ) 山于式( 2 3 ) 的线性化过程中必然引入线性化误差，因此，目前人们普遍 主张应对式( 2 7 ) 进行迭代运算。然而，经过对由g p s 定位模型得到的最小二 乘问题的洋细分析和实际运算例，我们得到了如下结论：在真值附近一个比较大 胞范围内( 1 5 m ) ，g p s 不必迭代求解，同样能保证定位的精度，只有当初值离 真值很远时( 1 5 0 k m 以上) ，迭代才能有效的提高精度。 2 2 3 g p s 定位误差分析 刖硝表示的误差1 9 1 ，配表示的误差，则有： c o v ( 0 x ) = ( g ”g ) 。g c o v ( 乩) 【( g g ) 。g 】 西北t 业人学颂i ：论文第二二章g p s 的定位原理 假设伪距测量是独立的等误差测量，误差方差均为盯。2 ，测距误差序列是正 态白噪声序列，则有： c o v ( 6 l ) = o 0 2 i 式中，i 为n x n 单位阵。于是 c o v ( o x ) = o - 0 2 ( g 7 g ) = o 0 2 q 假设 q 1 2q t 3q 1 4 9 2 2q 2 sq 2 4 q 3 2q 3 3q 3 4 q 4 2q 4 sq 4 4 盯i 22q l l o 0 2 a 一2 j9 2 2 0 0 2 22 仃：。q 3 s c r o 22 盯。2 q 4 4 0 0 由于q 只与卫星和接收机的相对几何位置有关，因此，用户三维位景和钟偏差的 误差只：与蹶种因素有关，即卫星与接收机的相对几何位置和伪距观测量的误差。 把卫星与接收机的相对几何位置定义成各种精度因子( d o p ) 的形式。可得用 户位置误差，钟差误差与伪距观测量误差的关系为： 吒= 厄了i 孑= g d o p o o 唧= 厄两= p d o p 慨 o t = 厄了= h d o p a o 一 盯，= 盯：= v d o p 盯o q = t d o p o o 式中，g d o p ，p d o p ，h d o p ，v d o p 和t d o p 分别称为几何精度因子、位置 精度因子、水平精度因子、高度精度因子和时间精度因子，它们均仅与卫星和接 吼吼吼吼 。，l 何 瞒 估 = 差 q 误的解? 差锋和鬣位 j 则 两北一r 业人学颂i + 论义系二章g p s 的定位颤理 收机的相对几何位簧有关，并有： g d o p = 厄了石i 而= t r a c e ( g7 g ) 1 扩 p d o p = 曰+ q 2 2 + g ” h d o p = 4 q 1 1 + q 2 2 v d o p = 4 q 3 3 t d o p = 4 q 4 4 幽此可以看出，要减少用户的定位误差，第一要尽量减小几何精度因子( 或位置 精度因子) ：第二要减少各卫星的伪距观测量误差。 另外，几何精度因子实际上就是伪距观测量误差的放大因子 1 1 1 ，对定位精 度有重大影响，因此，当接收机能同时跟踪的卫星数较少，而可测的卫星数多于 4 颗时，选择适当的4 星组合，减小几何精度因子是很重要的。这就是所谓的选 星问题。一般有两种选星方法，即最佳选星法和准最佳选星法。考虑到卫星仰角 过低时，会因大气传播误差加大而明显降低观测量精度，故在选星时应规定一个 最低仰角限制，通常为5 。所谓最佳选星法，就是在所有仰角大于5 的可测卫 星中，选择各种可能的4 星组合来计算相应的g d o p ( 或p d o p ) ，并选取其中 g d o p 为最小的一组卫星作为最佳选择结果。由于需要进行c ：次g d d p 运算， 而每一次g d o p 运算都要涉及矩阵的乘法和求逆，因此该方法的计算量较大，占 用时问较长，而且由于卫星的位置在不断变化，通常每1 5 分钟就要重新进行一 次选星。为减少选星的计算量，可利用准最佳选星方法。准最佳选星方法是以选 择使接收机与4 颗观测卫星所构成的六面体体积最大为准则的。假设接收机与4 颗观测卫星所构成的六面体的体积为v ，则分析表明，几何精度因子g d o p 与该 六面体的体积v 成反比，即 g d o p “y 因此，。馓来蜕六蕊体的体积越大，g d o p 值越小。以上式为基础，准最佳选星 方法是这样进行的：首先选择沿天顶方向、东方和北方具有最大斜距的三颗卫星， 第四颗卫星按其具有最小的g d o p 值选择。这样，只需进行n 一3 次g d o p 运算， 西北r 业人学颂l 。论文第二章g p s 的定位原理 而其效果仅略次于最佳选星法。目前，人们越来越倾向于使用全部可见卫星进行 定位。 1 6 矾北r 业人学颂i 。论义第三章基于g p s g s m 智能车辆管理调度系统 第三章基于g p s g s m 智能车辆管理调度系统 3 1 系统设计背景 随着经济的高速发展，机动车辆的日益增多，交通运输行业之间的竞争不断 加剧，带来了诸多的交通和管理问题，如道路时常堵塞、交通事故频繁发生、能 源浪费且导致环境污染。因此，如何运用现代化管理手段合理调度、提高车队的 使用效率、降低事故的发生，已成为一个迫切需要解决的课题摆到了我们的面前。 具体表现为如下几个方面： 1 、调度管理 车辆在执行公务时，行动区域比较广泛。车辆派出后。无法知道具体的情况。 因此，如何有效地调度车辆，提高车辆的使用效率，也成为管理者急需解决的一 个问题。 2 、车辆管理 公车私用一直是企业积重难返的管理问题，由于车辆由司机直接掌握和控 制，公车私用的现象普遍存在，给企业造成了财产损失，同时也造成了不良的社 会影响。 针对上述问题，我们结合广东工业大学交通运输中心的实际情况设计开发了 基于g s m g p s 智能车辆管理调度系统，它是一项采用国外最新的全球卫星定位系 统( g p s ) 、地理信息系统( g i s ) 、全球移动通信系统( g s m ) 以及电子信息技术， 具有卫星定位、数字通讯、调度管理、车辆监控等多功能的高科技综合信息管理 系统。 在国外发达国家，利用卫星定位监控管理系统对出车辆进行调度管理己经被 普遍采用，在我国一些大中城市也越来越多地成为运输行业的常规配置，是城市 交通现代化管理的必然趋势。 3 2 系统功能 1 车辆定位查洵功能 西北1 一业人学坝i 论立 第三章基于g p s g s m 智能车辆管理调度系统 调度管理中心根据需要可随时了解网内所有车辆的实时位置，并能在中心的 电子地图上准确地显示车辆当时的状态( 如速度，运行方向等信息) 。 2 实时调度功能 网内所有车辆的分稚位置和实时运行状况，调度中心能一目了然，尽收眼底， 随时可由调度中心采取有效措施，利用短消息对网内车辆进行合理调度。 3 记录功能 车载设备装有c f 卡存储器，当车辆运营时，本系统可将运营车辆的时间、 地点、所行驶的路线点、行驶速度自动记录保存或上传给调度管理中心，这样可 为车辆监管和数故处理提供客观依据。 4 轨迹记录回放功能 系统可将被监控和调度车辆的运行轨迹自动记录下来，并能重复播放，为事 后的案情分析或处理纠纷提供可靠的证据。 5 查询功能 在调度中心授权的情况下，管理人员可随时查询有关车辆的实时运行轨迹。 或调出车辆详细信息，如：所属部门、车牌号码、司机以及司机的联系方式等信 息。 3 3 系统组成 根据系统功能的要求，本系统由如下几个单元组成：调度中心、定位卫星网 络、通信网络、车载单元，如图3 1 所示： i 肇| 3 1g s m g p s 智能车辆调度系统 西北t 业人学坝i 论文 第三章基于g p s g s m 智能车辆管理调度系统 系统运作的流程如下：