先进的交通控制技术

1、定位导航技术-发展概况 车辆定位与导航系统的研究及发展已经有相当长的历史。最早的发 明可以追溯到几千年前中国古代的指南车和计里鼓车指南车和计里鼓车。指南针也是最 早出现的导航设备之一。 天基定位陆基定位-天基定位 最古老、最简单的导航方法是星历导航，通过观察天空上星星的位 置变化来确定自己的位置和前进的方向。在相当长的时间里，人们依 靠综合利用星历知识、指南针和航海表进行导航和定位。 进入20世纪以后，人们的思维从被动地利用宇宙中存在的参考物 （如星体）扩展到主动地建立和利用人造的参考物来发展更精密的导 航和定位技术。由此地基电子导航系统诞生了。 地基电子导航系统主要由在世界各地的适当地点建立

2、的 无线电发射参考站组成。接收机通过接收参考站发射的无 线电信号并由此计算接收机到发射站的距离来确定自己的 位置。 定位导航技术-发展概况 R1 R2 定位导航技术-发展概况 然而，地基电子导航系统的无线电发射站均建立在地球 表面上，因此只能用来确定海平面和地平面上运动物体的 水平位置，即只能进行二维定位。该系统的这一固有缺陷 使得地基电子导航无法用于空间飞行器（如飞机、宇市飞 船、导弹等）的三维定位和导航。空间飞行器三维定位和 导航的需求促使人们产生把无线电发射站建立在空中的设 想，思维再一次由地球表面扩展到宇宙空间。 1957年10月，世界上第一颗人造地球卫星的发射成功， 天基电子导航系统

3、亦即卫星电子导航系统应运而生。 定位导航技术-发展概况 在车辆定位导航系统中，定位是实现导航功能的前提与 基础。 目前移动目标定位技术主要有三种：独立定位、地面无独立定位、地面无 线电定位和卫星定位线电定位和卫星定位。 最典型的独立定位技术是惯性导航。 GPS系统的建立从根本上解决了全球范围内的导航和定 位问题。现在GPS已成为世界范围内应用最为广泛的卫星 导航系统。 GPS定位导航技术 GPS（Global Positioning System）即全球定位系统，是由美国建 立的一个卫星导航定位系统，利用该系统，用户可以在全球范围内实 现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另外，利用该系统

4、， 用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。 GPS 计划始于1973 年，1994年第一种装有GPS接收机的自主式导接收机的自主式导 航系统航系统投入市场。与此同时，定位与导航系统从单一的车辆定位和导 航发展到能够进行道路和车辆双向信息交换的智能车辆道路系统， 进而演变成集交通基础设施智能化、交通工具智能化、交通管理智能 化概念为一体的智能交通系统。 GPS系统的组成 一个主控站一个主控站：科罗拉多斯必灵司 三个注入站：三个注入站：阿松森（Ascencion) 迭哥伽西亚(Diego Garcia) 卡瓦加兰(kwajalein) 五个监测站五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威

5、夷（Hawaii) 55 Hawaii AscencionDiego Garcia kwajalein Colorado springs GPS系统的组成 用户接收机用户接收机 1）按接收机的用途分类）按接收机的用途分类 导航型接收机（动态定位） 主要用于运动载体的导航，可以实时给出载体的位置和速度。车载 型-用于车辆导航定位；航海型-用于船舶导航定位；航空型-用于飞机 导航定位；星载型-用于卫星的导航定位。 测地型接收机（静态定位） 测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。定位精度高。 仪器结构复杂，价格较贵。 授时型接收机 利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及

6、无 线电通讯中时间同步。 基于基于GPS的定位技术的定位技术 2）按接收机的载波频率分类）按接收机的载波频率分类 单频接收机 单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值 进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收 机只适用于短基线（15km）的精密定位。 双频接收机 双频接收机可以同时接收L1，L2载波信号。利用双频对 电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号的延 迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定 位。 GPS系统定位原理 地心 S i P ij Pj ri Rj Rj = r i +Pij 有关各观测量及已知数据如下：有关各观测量及已知数据如下： r

7、为已知的卫地矢量 P为观测量（伪距） R为未知的测站点位矢量 比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟的时间比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟的时间 t 传播延迟时间乘以光速就是距离观测值传播延迟时间乘以光速就是距离观测值P=C t GPS系统定位原理 基于基于GPS的定位技术的定位技术 GPS与其他导航系统相比，具有以下特点： 1）全球地面连续覆盖 由于GPS卫星的数目较多，且分布合理，所以地球上任何地点均可同时观 测到至少4颗卫星，从而保障了全球、全天候连续地三维定位。 2）功能多，精度高 利用CA码单点定位精度可以达到14m（无SA影响的情况下，有选择可用 性SA（Selectiv

8、e Availability）政策 ，人为的干扰技术），测速精度可以达到 0.3ms，测时精度可以达到500ns。利用P码单点定位精度可达3m，测速精 度可以达到0.1 ms，测时精度可以达到100ns。如果采用差分定位方法，则 利用CA码定位精度可以达到5m，利用P码定位精度可以达到1m。 3）实时定位 利用GPS导航，可以实时地确定运动目标的三维位置和速度，由此既可保 障运动载体沿预定航线运行。 基于基于GPS的定位技术的定位技术 误差来源及措施误差来源及措施 卫星星历误差 卫星星历误差主要由地面监控部分监测站的分布及其站址误差、监 测站所取得的观测量精度、卫星所受摄动力模型的精确程度、计

9、算精 度和卫星钟的稳定度等因素所决定。 卫星钟误差 卫星钟本身以及广义相对论和狭义相对论引起的频率漂移均将影响 卫星钟的准确性。相对论效应导致的卫星钟频的增长可以通过人为地 减小卫星钟频进行校正，其他误差可以利用主控站测定的参数进行模 型改正。卫星钟差或经改正后的残差，可以利用差分的方法消除。 基于基于GPS的定位技术的定位技术 误差来源及措施误差来源及措施 电离层传播延迟 GPS卫星信号通过电离层时将受到这一介质弥散特性的影响，使信 号的传播路径产生变化，因此而产生的时间延迟在最恶劣的条件下可 达到300 ns，等效于100m的测距误差。电离层的影响可以通过双频观 测、电离层模型修正或者差分

10、的方法加以减弱。 对流层传播延迟 对流层传播延迟是电磁波信号通过对流层时其传播速度不同于真空 中的光速所引起的延迟。利用差分方法消除对流层影响时，同步观测 站之间的距离不能太大，距离大于50-100km时，对流层传播延迟将成 为影响GPS定位精度的决定性因素之一。 基于基于GPS的定位技术的定位技术 误差来源及措施误差来源及措施 多径效应 所谓多径效应，就是接收机天线除直接收到卫星的信号外，还收到 经天线周围地物反射的卫星信号，两种信号叠加对定位精度的影响难 以控制，它随周围环境不同而不同。消除办法有多次取均值、选择屏 蔽良好的天线或者将天线安置在反射面体少的地方。但在动态定位中， 多径效应导

11、致的定位误差则无法消除。 用户接收机测量误差 用户接收机测量误差主要是由相关接收机对测距码的分辨率和接收 机噪声造成的。一般通过提高接收机硬件的灵敏度和稳定度来降低接 收机本身对定位精度产生的影响。 基于基于GPS的定位技术的定位技术 （6）GPS在交通工程中的应用在交通工程中的应用 1）车辆调度管理 通过车载GPS接收机使驾驶员能够随时知道自己的具体 位置。通过无线通信将GPS定位信息发送给调度指挥中心， 调度指挥中心便可及时掌握各车辆的具体位置，并在大屏 幕电子地图上显示出来。决策指挥命令以通信方式与移动 车辆进行通信。通信方式可用文本、代码或语音等，实现 调度指挥。 2）车辆GPS定位导

12、航管理 3）交通工程设施监测 基于基于GPS的定位技术的定位技术 （7）GPS车辆定位车辆定位 系统系统 系统由空间卫 星、监控中心和移 动终端（GPS接收 机）三部分组成。 基于基于GPS的定位技术的定位技术 （7）GPS车辆定位系统车辆定位系统 移动终端：由GPS接收装置和控制单元（数据处理和 通信等）组成。负责向监控中心发送车辆位置坐标、车辆 状态等数据，接受监控中心的控制指令。 监控中心：监控中心由计算机网络和应用软件构成。 完成系统的运行监测、控制及信息管理。实现对报警目标 的自动漫游跟踪。显示有关的各种信息。进行电子地图库 的制作与编辑。 基于基于GPS的定位技术的定位技术 GPS

13、车辆定位监控中的通讯平台 GSM（Global System for Mobile Communication）系统是目前国 内移动通信体制中最成熟、最完善、应用最广泛的一种系统。我国已 经建成了覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网，是我国公众陆地移动 通信网的主要方式，它可以提供多种业务。 GPRS（General Packet Radio Service）通用分组无线业务是在 现有的GSM系统上发展起来的用于在移动电话网络中进行数据传递的 一种新型非语音增值服务。GPRS具有实时在线、按量计费、快捷登 录、高速传输、自如切换、资源共享、丰富带宽的优点，特别适用于 间断的突发的或频繁的、少量的

14、数据传输。 北斗卫星导航系统 2000年分别发射北斗卫星导航试验系统第一颗、第二颗 卫星，2003年发射第三颗卫星，建成区域有源卫星导航系 统，使我国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国 家。该系统可为我国及周边地区的中低动态用户提供快速 定位、短报文通信和授时服务。 2004年，启动北斗卫星导航系统建设工作。 2003年北 斗卫星导航试验系统正式提供服务以来，在交通、渔业、 水文、气象、林业、通信、电力、救援等诸多领域得到广 泛应用 北斗卫星导航系统 系统组成： 空间段：由5颗GEO卫星和30颗Non-GEO卫星组成 星座星座 Non-GEO 卫星 GEO 卫星 北斗卫星导航系统 200

15、02000年年1010月月3131日日 东经东经140140度度 20002000年年1212月月2121日日 东经东经8080度度 20032003年年5 5月月2525日日 东经东经110.5110.5度度 北斗卫星导航系统 2007年年4月月14日日 MEO卫星卫星 2009年年4月月15日日 GEO卫星卫星 2010年年1月月17日日 GEO卫星卫星 北斗卫星导航系统 北斗卫星导航系统 时间星座 信号 （实际发射） 2012年5GEO+5IGSO+4MEO区域服务 2020年5GEO+3IGSO+27MEO全球服务 北斗卫星导航系统 全球服务 开放服务： 定位精度: 10 m 测速精度

16、: 0.2 m/s 授时精度: 20 ns 授权服务 全球卫星导航系统 美国美国GPS 欧盟伽利略欧盟伽利略 俄罗斯俄罗斯GLONASSGLONASS 中国北斗中国北斗 全球卫星导航系统 20202020年年 GPSGPS3636颗颗 GLONASSGLONASS3030颗颗 北斗北斗3535颗颗 GALILEOGALILEO3030颗颗 智能汽车 智能汽车是指一辆汽车具有规划自己的行车路线，感知周围环境，智能汽车是指一辆汽车具有规划自己的行车路线，感知周围环境， 针对实时交通情况做出合理决策，并辅助、甚至代替驾驶员进行车辆针对实时交通情况做出合理决策，并辅助、甚至代替驾驶员进行车辆 驾驶的能

17、力，从而减小驾驶员的劳动强度，使车辆行驶过程变得更加驾驶的能力，从而减小驾驶员的劳动强度，使车辆行驶过程变得更加 安全、舒适、高效。安全、舒适、高效。 智能汽车 智能汽车 智能汽车 智能汽车 谷歌公司研发的50辆智能车，采用智能软件和感应设备， 包括摄像机、激光雷达、超声雷达以及GPS设备等，使用谷 歌网络导航操控系统，无人驾驶，在公共道路上成功行进 22万多公里,但是谷歌没有考虑智能车和周边车辆的交互。 意大利帕尔马大学的ARGO系统，2010年10月完成了从 意大利到上海15000多公里的无人驾驶试验，车上安装5个 激光扫描仪、7个摄像机、GPS全球定位、惯性测量设备、3 台Linux电脑

18、和线控驾驶系统等设备，全程应用太阳能电池 板供电。 物联网 物联网其实就是物物相连的互联网。物联网就是把传感 器装备到各种真实物体上，通过互联网联接起来，进而运 行特定的程序，达到远程控制或者实现物与物的直接通信， 实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。 简单的举例：某机器运行，需要用PT100(温度传感器）来测 量运行温度，所测量的温度信号经过转换为电信号传输到检测分 析设备，检测分析设备分析温度值，给出命令，从而控制机器的 运转、加强散热或停机。 36 物联网三个重要特征：物联网三个重要特征： 1、全面感知、全面感知，利用RFID，传感器，二维码等随时随地获取物体的信息 2、可靠传递、可

19、靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传 递出去 3、智能处理、智能处理，利用云计算，模糊识别等各种智能计算技术，对海量的数据和信 息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制 传感网络技术传感网络技术 传感器的器件组成的在空间上呈分布式的无线自组织/自维护网络，用来感知环境参数，如 温度、震动等等。 短程通讯技术短程通讯技术 新兴的短距离连接技术，WPAN、RFID和蓝牙技术是其中的重要代表。 物联网 物联网 物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种 智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和 处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同

20、需求，发现新的应用领域 和应用模式。 物联网将是下一个推动世界高速发展的“重要生产力重要生产力”！ 物联网 控系统。 物联网的应用架构 城市交通城市交通 2000.42000.4 高速公路高速公路 高速公路高速公路 2002.62002.6 ZTE ITS 物联网物联网 轨道交通轨道交通 2006.12006.1 铁路铁路城市城市 交通交通 公路公路 已经涉足的已经涉足的ITS领域领域 城市城市 交通交通 公路公路 铁路铁路 智能交通物联网智能交通物联网 准备进入的准备进入的ITS领域领域 水运水运 管道管道 民航民航水运水运 管道管道 民航民航 物联网-智慧交通 智慧交通的内涵 Diagra

21、m 2 智慧交通是以互联网、物联网智慧交通是以互联网、物联网 等信息技术为基础，通过感知化、等信息技术为基础，通过感知化、 互联化、智能化的方式，形成以交互联化、智能化的方式，形成以交 通信息网络完善、运输装备智能、通信息网络完善、运输装备智能、 运输效率和服务水平高为主要特征运输效率和服务水平高为主要特征 的现代交通发展新模式。的现代交通发展新模式。 通过信息资源的自动整通过信息资源的自动整 合与智能共享，具有高度的分合与智能共享，具有高度的分 析与预测能力，实现交通运输析与预测能力，实现交通运输 的便捷、安全、经济、高效，的便捷、安全、经济、高效， 为城市运营及经济发展提供支为城市运营及经

22、济发展提供支 撑。撑。 智慧交通是充分利用信智慧交通是充分利用信 息通信技术，通过人、运输息通信技术，通过人、运输 装备与交通网络之间相互感装备与交通网络之间相互感 知、智能互动，达到一种完知、智能互动，达到一种完 全自动、合理、高效的交通全自动、合理、高效的交通 管理服务状态，实现交通运管理服务状态，实现交通运 输效率最高、交通资源效益输效率最高、交通资源效益 最大化。最大化。 Diagram 2 1内涵 2核心 3本质 物联网-智慧交通 交通信息网络：交通设施与交通信息网络：交通设施与 交通装备的信息采集及网络交通装备的信息采集及网络 传输装备布局，如传感器、传输装备布局，如传感器、 GP

23、SGPS等；构建动态化、全覆盖等；构建动态化、全覆盖 的交通信息网络的交通信息网络 动态车辆的智慧化管理与服务：通过高度智动态车辆的智慧化管理与服务：通过高度智 能化、一体化的交通管理系统，实现动态交能化、一体化的交通管理系统，实现动态交 通系统的智能、安全管理，以及交通车辆的通系统的智能、安全管理，以及交通车辆的 自我合理流动等，如智能交通监控与管理系自我合理流动等，如智能交通监控与管理系 统、智能停车与诱导系统、智能公交系统、统、智能停车与诱导系统、智能公交系统、 电子不停车收费系统、应急处理系统、综合电子不停车收费系统、应急处理系统、综合 信息平台与服务系统等信息平台与服务系统等 静态车

24、辆的智慧化管静态车辆的智慧化管 理与服务：通过物联理与服务：通过物联 网技术的应用，从规网技术的应用，从规 划、建设、经营、管划、建设、经营、管 理等方面加强停车问理等方面加强停车问 题的管理与服务，实题的管理与服务，实 现静态车辆的高效管现静态车辆的高效管 理及人性化服务理及人性化服务 智慧交通建设与应用 未来中国ITS物联网“模型” 车联网 车联网，是指装载在车辆上的电子标签通车联网，是指装载在车辆上的电子标签通 过无线射频等识别技术，实现在信息网络平台过无线射频等识别技术，实现在信息网络平台 上对所有车辆的属性信息和静、动态信息进行上对所有车辆的属性信息和静、动态信息进行 提取和有效利用

25、，并根据不同的功能需求对所提取和有效利用，并根据不同的功能需求对所 有车辆的运行状态进行有效的监管和提供综合有车辆的运行状态进行有效的监管和提供综合 服务。服务。 车联网以汽车为节点、以网络为基础，人、车联网以汽车为节点、以网络为基础，人、 车、路、网协调运作，车联网将缓解城市交通车、路、网协调运作，车联网将缓解城市交通 堵塞、减少车辆尾气污染以及减小车辆安全隐堵塞、减少车辆尾气污染以及减小车辆安全隐 患。患。 智能手机 车载终端(AVN&TBox) 互联网 语音 短信 TSP CENTER 个人电脑 整合集成 整合集成 联系 互联网 语音 短信 互联网 语音 短信 互联网 语音 互联网 短信

26、 T-Box 呼叫中心系统 调用 车联网整体架构车联网整体架构 图图 TSP核心服务 运营管理系统 个人Portal Dispatcher 拨测系统 网管系统 数据中心 互联网 车联网 车联网的应用-危化品运输远程监控危化品运输远程监控 北斗及GPS高精度定位技术和地理信息系统（GIS），集成远程监控 技术、车辆诊断技术、无线通信技术（GPRS、WIFI）、传感器技术， 数据库技术、危险品运输事故模型技术。 GPS监控 温度/压力 传感器 车辆状态 传感器 车载终端 无线通信网络 GPS和车辆状态传感 器监控车辆位置及运 输路线； 各种传感器监控货 物状态是否安全； 视频监控设备监控 司机疲劳

27、驾驶和槽罐 闸门异常 视频监控 GPS卫星 危化品运输智能监控平台 平台实时记录跟踪货物位 置信息，动态预计货物到 达时间，为货主和货运公 司、政府监管部门提供货 物实时监控平台，发现异 常自动预警。 智能汽车-车联网 车辆交互协作 邻车意图与轨迹 预测 危险度评价 主动避撞轨迹规 划 告警 主动避 险 邻车意图与轨迹 预测 危险度评价 主动避撞轨迹规 划 告警 主动避 险 智能车辆系统 智能车辆系统 多车协作机制 主动避撞辅助系统 环境感 知 环境感 知 云计算 Cloud Computing 云计算是并行计算(Parallel Computing)、分布式计算(Distributed Co

28、mputing)和网格计算(Grid Computing) 等传统计算机技术和网络技术 发展融合的产物。它旨在通过网络把多个成本相对较低的计算实体整合 成一个具有强大计算能力的完美系统，并借助先进的商业模式把这强大 的计算能力分布到终端用户手中。 云计算核心理念就是通过不断提高“云”的处理能力，进而减少用户 终端的处理负担，最终使用户终端简化成一个单纯的输入输出设备，并 能按需享受“云”的强大计算处理能力！ 云计算的核心思想，是将大量用网络连接的计算 资源统一管理和调度，构成一个计算资源池向用 户按需服务。 云计算 Cloud Computing 提供资源的网络被称为“云”。“云”中的资源在使

29、用者看来是 可以无限扩展的，并且可以随时获取，按需使用，随时扩展，按使用 付费。这种特性经常被称为像水电一样使用IT基础设施。比方：这就 好比是从古老的单台发电机模式转向了电厂集中供电的模式。它意味 着计算能力也可以作为一种商品进行流通，就像煤气、水电一样，取 用方便，费用低廉。 云计算之所以是一种划时代的技术，就是因为它将数量庞大的廉价 计算机放进资源池中，用软件容错来降低硬件成本，通过将云计算设 施部署在寒冷和电力资源丰富的地区来节省电力成本，通过规模化的 共享使用来提高资源利用率。国外代表性云计算平台提供商达到了惊 人的10-40倍的性能价格比提升。 云交通-交通云 交通数据有以下特点：

30、 （1）数据量大：交通服务要提供全面的路况，需组成多维、立体的 交通综合监测网络，实现对城市道路交通状况、交通流信息、交通违 法行为等的全面监测，特别是在交通高峰期需要采集、处理及分析大 量的实时监测的数据。 （2）应用负载波动大：随着城市机动车水平不断提高，城市道路交 通状况日趋复杂化，交通流特性呈现随时间变化大，区域关联性强的 特点，需要根据实时的交通流数据及时全面采集、处理、分析等。 （3）信息实时处理要求性高：市民对公众出行服务的主要需求之一 就是对交通信息发布的时效性要求高，需将准确的信息及时提供给不 同需求的主体。 云交通-交通云 交通数据有以下特点： （4）数据共享需求：交通行业

31、信息资源的全面整合与共享，是智能 交通系统高效运行的基本前提，智能交通相关子系统的信息处理、决 策分析和信息服务是建立在全面、准确、及时的信息资源基础之上。 （5）高可用性、高稳定性要求：需面向政府、社会和公众提供交通 服务，为出行者提供安全、畅通、高品质的行程服务，对智能交通手 段的充分利用，以保障交通运输的高安全、高时效和高准确性，势必 要求ITS应用系统需具有高可用性和高稳定性。 云交通-交通云 随着ITS应用的发展，服务器规模日益庞大，将带来高 能耗、数据中心空间紧张；服务器利用率低或者利用率不 均衡，造成资源浪费；IT 基础架构对业务需求反应不够灵 敏，不能有效地调配系统资源适应业务

32、需求等问题。在智 能交通系统中引入云计算有助于系统的实施。 云交通-交通云 交通云应该是一个整合的、先进的、安全的、自动化的、易扩展的、 服务于交通行业的开放性平台。 具体体现在： （1）整合现有资源，并能够针对未来的交通行业发展扩展整合将来 所需的各种硬件、软件、数据； （2）动态满足ITS中各应用系统，针对交通行业的需求-基础设施建 设、交通信息发布、交通企业增值服务、交通指挥提供决策支持及交 通仿真模拟等，交通云要能够全面提供开发系统资源平台需求，能够 快速满足突发系统需求； （3）提供极具弹性的扩展能力需求，以满足将来不断增大的交通应用 需求。 定位导航技术-发展概况 n 在车辆定位导航系统中，定位是实 现导航功能的前提与基础。 n 目前移动目标定位技术主要有三