智能运输系统概论第6章

1、智能运输系统概论智能运输系统概论 （第三版）（第三版） 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 2121世纪交通版高等学校教材世纪交通版高等学校教材 杨兆升杨兆升 于德新于德新 主编主编 史其信史其信 高世廉高世廉 主审主审 目目 录录 n第第1 1章章 绪论绪论 n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 n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 n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 n第第5 5章章 通信技术通信技术 n第第6 6章章 车辆定位技术车辆定位技术 n第第7 7章章 网络技术网络技

2、术 n第第8 8章章 数据库技术数据库技术 n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 n第第1010章章 交通信息服务系统交通信息服务系统 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 6.1 概述概述 在交通运输管理中，在交通运输管理中，卫星定位导航卫星定位导航系统与系统与GISGIS电子地图电子地图 、无线电通信网络无线电通信网络及及计算机车辆管理信息系统计算机车辆管理信息系统相结合，可相结合，可 以实现以实现车辆跟踪车辆

3、跟踪和和交通管理交通管理等许多功能。等许多功能。 车载诱导要实现车载诱导要实现自动跟踪自动跟踪车辆的当前位置，并为出行者车辆的当前位置，并为出行者 提供从当前位置到目的地的提供从当前位置到目的地的最优路径最优路径，只有做到，只有做到实时准确实时准确 的当前的当前位置跟踪显示位置跟踪显示，才能实现真正意义上的诱导。，才能实现真正意义上的诱导。 因此，因此，准确定位准确定位是实现智能运输系统主要功能的是实现智能运输系统主要功能的前提条前提条 件件。 车辆定位的目的与意义车辆定位的目的与意义 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

4、： GPSGPS单独定位单独定位、GLONASSGLONASS单独定位单独定位、北斗定位北斗定位、 GPS/GLONASSGPS/GLONASS组合定位组合定位、GPS/DRSGPS/DRS组合定位组合定位、GPS/INSGPS/INS组合组合 定位定位、GNSSGNSS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： 地图匹配地图匹配（Map MatchingMap Matching）技术技术，信号杆信号杆SPSP（Signal Signal PolePole），），卫星无线电定位业务卫星无线电

5、定位业务（Radio Determination Radio Determination Satellite ServiceSatellite Service，简称，简称RDSSRDSS）等。）等。 6.1 概述概述 GPSGPS全称为导航卫星测时和测距全称为导航卫星测时和测距/ /全球定位系统，英文全球定位系统，英文 全称为全称为Navigation Satellite Timing and Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning SystemRanging/Global Positioning System。目前

6、在地球上空。目前在地球上空 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已经已经成功地应用于成功地应用于大地测量大地测量、工程测量工程测量、航空摄航空摄 影测量影测量、运载工具导航和管制运载工具导航和管制、地壳运动监测地壳运动监测、工程变工程变 形监测形监测、资源勘察资源勘察、地球动力学地球动力学等多种学科，给测绘领等多种学科，给测绘领 域带来一场深刻的技术革命。域带来一场深刻的技术革命。 6.1 概述概述 全球海军导航卫星系统全球海军导航卫星系统（Global Navy Navigation

7、Global Navy Navigation Satellite SystemSatellite System，简称，简称GLONASSGLONASS）是）是前苏联前苏联紧跟美国紧跟美国GPSGPS空空 间计划平行发展的。间计划平行发展的。 截止截止19951995年年底，一共发射了底，一共发射了7373颗卫星。现在，在轨道上颗卫星。现在，在轨道上 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系统的系统的2424颗卫星均匀分布在颗卫星均匀分布在三个轨道平面上三个轨道平面上，每，每 个平面上分布个平面上

8、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系统的系统的支撑系统是由地面上的是由地面上的5 5个跟踪站个跟踪站和和9 9个监个监 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 6.1 概述概述 是由是由“两弹一星两弹一星”功勋奖章获得者、中国科学院院士功勋奖章获得者、中国科学院院士 陈芳允先生陈芳允先生于于19831983年提出来的。年提出来的。 “北斗一号北斗一号”试验试验系统后，系统后，第二代北斗卫星导航系统第二代北斗卫星导航系统 的建设也拉开序幕，于的建设也

9、拉开序幕，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，与美国的年，与美国的GPSGPS、俄罗斯的、俄罗斯的GLONASSGLONASS和欧洲的和欧洲的 GalileoGalileo卫星导航系统一起卫星导航系统一起被确认被确认为为全球四大卫星导航系全球四大卫星导航系 统统。截至截至20122012年底已成功发射了年底已成功发射了1616颗颗“北斗北斗”导航卫星导航卫星， 北斗导航业务正式对亚太地区提供北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位无源定位、导航导航

10、、授授 时服务时服务。 北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 6.1 概述概述 伽利略定位系统伽利略定位系统（GalileoGalileo）是）是欧盟欧盟一个正在建造中一个正在建造中 的卫星定位系统，是继的卫星定位系统，是继美国美国GPSGPS、俄罗斯、俄罗斯GLONASSGLONASS及中国及中国 北斗北斗后，第四个可以供民用的定位系统后，第四个可以供民用的定位系统。 GalileoGalileo系统系统计划在轨卫星计划在轨卫星3030颗颗，建成后将提供，建成后将提供开放开放 服务服务、商业服务商业服务、公共规范服务公共规范服务以及以及生命安全服务生命安全服务等四等四 种导航服务种导航服务。开放

11、开放服务服务提供任何人自由使用，信号将会提供任何人自由使用，信号将会 广播在广播在1164-1214MHz1164-1214MHz以及以及1563-1591MHz1563-1591MHz两个频带上。同两个频带上。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 Galileo定位系统定位系统 6.1 概述概述 19961996年，年，美国美国、俄罗斯俄罗斯、欧洲欧洲和和日本日本决定在决定在1998-1998- 19991999年期间采用一套被称为年期间采用一套被称为GNSSGNSS（Global Navigation Glob

12、al Navigation Satellite SystemSatellite System，全球导航卫星系统全球导航卫星系统）的用于地球同）的用于地球同 步卫星的步卫星的增强型卫星系统增强型卫星系统。 随着随着世界各国对卫星导航的重视和发展，世界各国对卫星导航的重视和发展，国际国际GNSSGNSS系系 统统正逐渐成为一个正逐渐成为一个多系统多系统、多层面多层面、多模式多模式的复杂组合的复杂组合 系统系统。 美国美国航空无线电技术委员会航空无线电技术委员会（RTCARTCA）是该计划的主要是该计划的主要 的策划者，开发的策划者，开发GNSSGNSS系统的宗旨是为了利用所有的系统的宗旨是为了利用

13、所有的导航导航 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） 6.1 概述概述 数字蜂窝移动通信数字蜂窝移动通信中被广泛使用的中被广泛使用的GSMGSM（Global Global System for Mobile CommunicationsSystem for Mobile Communications，全球移动通信系，全球移动通信系 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系统集中了系统集中了现代信源编码技术现代信源编码技术，信道编码信道编码、交织交织、 均衡技术均衡技术，数字调制技术数字调制技术，话音编码技

14、术话音编码技术以及以及慢跳频技慢跳频技 术术，同时在系统中引入了大量计算机控制和管理。，同时在系统中引入了大量计算机控制和管理。GSMGSM系系 统提供多种电信服务，包括统提供多种电信服务，包括话音、电文、图像、传真、话音、电文、图像、传真、 计算机文件、消息计算机文件、消息等。等。 利用现有移动通信系统中基站和移动终端之间的无线利用现有移动通信系统中基站和移动终端之间的无线 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 6.1 概述概述 航位推算技术航位推算技术（Dead-ReckoningDead-Reck

15、oning，简称，简称DRDR）是）是自主自主定定 位的位的，一般，一般不受外界环境的影响，可以不受外界环境的影响，可以通过自身的推算通过自身的推算 得出车辆载体的位置和速度信息，这是航位推算技术的得出车辆载体的位置和速度信息，这是航位推算技术的 优点。但是，航位推算系统本身的优点。但是，航位推算系统本身的误差是随时间积累的误差是随时间积累的， 因此它单独工作时因此它单独工作时不能长时间保持高精度不能长时间保持高精度。 另外，航位推算系统基本由另外，航位推算系统基本由测量航向的传感器测量航向的传感器和和测量测量 距离的传感器距离的传感器构成。构成。测量航向角测量航向角的传感器主要有磁罗盘、的传

16、感器主要有磁罗盘、 差动里程仪和角速率陀螺；差动里程仪和角速率陀螺；测量距离测量距离变化的传感器主要变化的传感器主要 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 6.1 概述概述 地图匹配技术地图匹配技术（Map MatchingMap Matching，简称，简称MMMM）就是引入地）就是引入地 图上的信息，通过将图上的信息，通过将定位导航系统的位置信息定位导航系统的位置信息与与地图坐地图坐 标信息标信息进行比较和融合，从而进行比较和融合，从而提高整个系统的定位精度提高整个系统的定位精度。 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

17、驶在道路上车辆应该行驶在道路上。 当当导航系统确定的导航系统确定的车辆位置精度车辆位置精度不高时，车辆位置将不高时，车辆位置将 偏离道路，偏离道路，地图匹配技术地图匹配技术就会找到一条最近的道路，并就会找到一条最近的道路，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 GPSGPS定位定位采用采用空间被动式空间被动式测量原理，即在测站上安置测量原理，即在测站上安置GPSGPS 用户接

18、收系统用户接收系统，以各种可能的方式接收，以各种可能的方式接收GPSGPS卫星系统发送的卫星系统发送的 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。 美国的卫星导航定位系统用于测量时，用的是美国的卫星导航定位系统用于测量时，用的是WGS-84WGS-84坐坐 标系标系。 6.2.1 GPS定位原理定位原理 如图所示，欲确定如图所示，欲确定平面上平面上一点一点O O的位置，需要的位置，需要两个参考两个参考 点点O1O1和和O2O2并测定并测定R1R1和和R2R2的距离（的距离（3 3个点不能在一条直线上）。个点不能在一条直线上）。 同理，确定

19、同理，确定三维空间三维空间中一点的位置，需要中一点的位置，需要3 3个参考点个参考点，并测，并测 定待测点与这定待测点与这3 3个参考点的个参考点的距离距离（4 4个点不能在一个平面个点不能在一个平面 上）。因此，理想情况下，通过测定地球上某一点与上）。因此，理想情况下，通过测定地球上某一点与3 3颗卫颗卫 星的距离星的距离，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 GPSGPS的卫星时钟基频的卫星时钟基频f0=10.23MHzf0=10.23MHz，在，在L L频段上配有频段上配有两种两种 基频基频： L0L0载波：载波：fL1 =154 f0=1

20、575.42MHzfL1 =154 f0=1575.42MHz； L1L1载波：载波：fL2=120 f0=1227.60MHzfL2=120 f0=1227.60MHz； GPSGPS的每一颗的每一颗卫星卫星连续不断地发送可跟踪的连续不断地发送可跟踪的惟一编码序惟一编码序 列列，GPSGPS接收机据此接收机据此辨认相关卫星辨认相关卫星。GPSGPS的测距码（的测距码（P P码和码和 C/AC/A码）和数据码都是采用扩频伪码的调相技术码）和数据码都是采用扩频伪码的调相技术PSKPSK调制到调制到 载波上去的。在载波上去的。在L1L1频段上有数据流和两种测距码分别以频段上有数据流和两种测距码分别

21、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 )sin()()()cos()()()( 11111 twtDtCAwtDtPAts LiicLiiPL 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： 将卫星与接收机振荡器产生的码序列进行相关处理就将卫星与接收机振荡器产生的码序列进行相关处理就 完成了对某一卫星的完成了对某一卫星的跟踪和锁定跟踪和锁定；进一步进行解调，可得；进一步进行解调，可得 到导航电文到导航电文 ，又可求出卫星信号的传播时间，乘上光速，又可求出卫星

22、信号的传播时间，乘上光速 便得到从卫星到接收机的便得到从卫星到接收机的伪距伪距。GPSGPS定位是通过伪距测量定位是通过伪距测量 得到的得到的，由于存在时钟差、大气效应、接收机误差，这里，由于存在时钟差、大气效应、接收机误差，这里 的伪距并非实距，伪距数学表达式为：的伪距并非实距，伪距数学表达式为： 只要只要同时观测到同时观测到4 4颗卫星颗卫星，就可实现三维定位（经度、，就可实现三维定位（经度、 纬度、高度）。纬度、高度）。 )cos()()()( 222 twtDtPBtS LiiPL PSVPRp VttC)( 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

23、迟误差 电离层电离层引起信号的延迟，相位传播的超前，它们大小引起信号的延迟，相位传播的超前，它们大小 相等、符号相反。电离层传播的影响与沿卫星和用户接收相等、符号相反。电离层传播的影响与沿卫星和用户接收 机视线方向的总的机视线方向的总的电子数（电子数（TECTEC）有关，与有关，与信号频率的平信号频率的平 方方成反比。成反比。TECTEC的函数关系复杂，与时间、位置和太阳活的函数关系复杂，与时间、位置和太阳活 动有关。动有关。 2 2）对流层的延迟影响）对流层的延迟影响 对流层对流层传播延迟是由于电磁波信号通过对流层时，其传播延迟是由于电磁波信号通过对流层时，其 传播速度小于光速引起的附加延迟

24、，一般可达传播速度小于光速引起的附加延迟，一般可达220m220m。它。它 一般与湿度、大气压、温度以及高度角有关。对流层影响一般与湿度、大气压、温度以及高度角有关。对流层影响 变化缓慢，呈低频特性。变化缓慢，呈低频特性。 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 SA SA即即选择可用性选择可用性（Selective AvailabilitySelective Availability）。在所）。在所 有的有的GPSGPS工作卫星上实施工作卫星上实施SASA政策，使政策，使水平定位精度水平定位精度降低至降低至 100m100m，垂直定位精度垂直定位精度为为15

25、6m156m，时间精度时间精度为为175ns175ns。SASA政策政策 已于已于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 卫星星历误差卫星星历误差是由于星历预报与模型的不完善而导致是由于星历预报与模型的不完善而导致 的，它直接影响了卫星位置的解算，从而导致定位解的误的，它直接影响了卫星位置的解算，从而导致定位解的误 差。卫星星历是周期性变化规律，一般始于一个均匀分布差。卫星星历是周期性变化规律，一般始于一个均匀分布 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。 6.2.2 GPS定位误差分析定位误差分

26、析 5 5）地球自转的影响）地球自转的影响 在计算卫星和用户之间的在计算卫星和用户之间的距离距离时，涉及到时，涉及到卫星发射信卫星发射信 号的时刻号的时刻和和用户接收信号的时刻用户接收信号的时刻，而计算时用到的地心坐，而计算时用到的地心坐 标系，只能是某一时刻的标系，只能是某一时刻的瞬时坐标系瞬时坐标系，在发射时刻到接收，在发射时刻到接收 时刻这一时段，惯性坐标系中的用户、卫星随坐标系一起时刻这一时段，惯性坐标系中的用户、卫星随坐标系一起 运动，所以运动，所以计算几何距离计算几何距离时，要考虑地球自转的修正，从时，要考虑地球自转的修正，从 而消除惯性坐标系对距离计算造成的误差。而消除惯性坐标系

27、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 接收机相关误差接收机相关误差主要包括通道偏差、量测噪音、时钟主要包括通道偏差、量测噪音、时钟 模型的误差、硬件噪音和延迟等。模型的误差、硬件噪音和延迟等。 6.2.3 差分差分GPS定位原理及方法定位原理及方法 由于由于SASA政策的存在，政策的存在，GPSGPS系统提供的单点定位精度在系统提供的单点定位精度在100m100m 左右。即使是在左右。即使是在SASA政策停止使用后，其单点定位精度也只有政策停止使用后，其单点定位精度也只有 2040m2040m，难以满足高精度难以满足高精度的定位需求。差分的定位需求。差分GPSGPS定

28、位技术解决定位技术解决 了这个问题。所谓了这个问题。所谓差分差分GPSGPS（Differential GPSDifferential GPS，简称，简称DGPSDGPS） 就是将一个就是将一个已精确测定的已知点已精确测定的已知点作为差分基准点，在此点安作为差分基准点，在此点安 装装GPSGPS接收机，连续接收接收机，连续接收GPSGPS信号，通过处理再与已知的精确信号，通过处理再与已知的精确 位置作比较，位置作比较，不断确定当前的误差不断确定当前的误差，然后把它通过通信链，然后把它通过通信链传传 送至送至该地区的该地区的所有移动所有移动GPSGPS用户用户，以，以修正修正它们的定位解。原理它

29、们的定位解。原理 图为：图为： 6.2.3 差分差分GPS定位原理及方法定位原理及方法 差分差分GPSGPS实时定位技术实时定位技术基本上可分为基本上可分为两种类型两种类型，即，即局域局域 差分差分GPSGPS和和广域差分广域差分GPSGPS。局域差分局域差分的的技术特点技术特点是向用户提是向用户提 供供综合综合的差分的差分GPSGPS改正信息改正信息观测值改正观测值改正，而不是提供，而不是提供 单个误差源的改正，作用范围比较小，一般在单个误差源的改正，作用范围比较小，一般在150km150km之内之内。 广域差分广域差分的的技术特点技术特点是将主要误差源是将主要误差源分别加以计算分别加以计算

30、，并，并分分 别别向用户提供这些差分信息，作用的范围比较大。向用户提供这些差分信息，作用的范围比较大。 实现实现DGPSDGPS的方法包括的方法包括位置差分法位置差分法、伪距差分法伪距差分法、载波载波 相位差分法相位差分法等，这等，这3 3类差分方法的工作方式是相同的，即类差分方法的工作方式是相同的，即 都由都由基准站基准站发送发送改正数改正数，由，由用户接收用户接收并对其测量结果进行并对其测量结果进行 改正改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，三种方法发，以获得精确的定位结果。所不同的是，三种方法发 送改正数的送改正数的具体内容不一样具体内容不一样，其差分，其差分定位精度也不同定位精度也不

31、同。 6.2.3 差分差分GPS定位原理及方法定位原理及方法 1 1）位置差分原理位置差分原理 这是一种这是一种最简单最简单的差分方法。安装在基准站上的的差分方法。安装在基准站上的GPSGPS 接收机观测到接收机观测到4 4颗卫星颗卫星后便可进行后便可进行三维定位三维定位，解算解算出出基准基准 站的坐标站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、。由于存在着轨道误差、时钟误差、SASA影响、大影响、大 气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站 的已知坐标是不一样的，的已知坐标是不一样的，存在误差存在误差。即：。即： 6.2.3 差分差分G

32、PS定位原理及方法定位原理及方法 基准站基准站利用数据链将此利用数据链将此改正数改正数发出去发出去，由，由用户站用户站接收接收， 并且对其解算的用户站坐标进行并且对其解算的用户站坐标进行改进改进： 如考虑到用户站的位置如考虑到用户站的位置改正值改正值瞬间变化瞬间变化，则：，则： 6.2.3 差分差分GPS定位原理及方法定位原理及方法 最后最后得到的改正后的用户坐标已得到的改正后的用户坐标已消去了消去了基准站与用户基准站与用户 站的站的共同误差共同误差。以上步骤的先决条件是基准站和用户站观。以上步骤的先决条件是基准站和用户站观 测测同一组卫星同一组卫星。 这种差分方法的这种差分方法的优点优点是是

33、计算方法简单计算方法简单，只需要在解算，只需要在解算 的坐标中加改正数即可，能的坐标中加改正数即可，能适用于一切适用于一切GPSGPS接收机接收机，包括，包括 最简单的接收机。最简单的接收机。缺点缺点是必须严格保持基准站与用户站是必须严格保持基准站与用户站观观 测同一组卫星测同一组卫星。如果有。如果有8 8颗可观测卫星，将组成颗可观测卫星，将组成7070个组合，个组合， 基准站和用户站观测环境也不能保证完全相同，因此基准站和用户站观测环境也不能保证完全相同，因此无法无法 保证保证两站观测到同一组卫星。两站观测到同一组卫星。 6.2.3 差分差分GPS定位原理及方法定位原理及方法 2 2）伪距差

34、分原理伪距差分原理 这是目前用途最广的一种技术。在这是目前用途最广的一种技术。在基准站基准站GPSGPS接收机接收机测测 量出可见量出可见的所有卫星的的所有卫星的伪距伪距 和和搜集搜集全部卫星的全部卫星的星历文件星历文件， 计算出计算出各卫星的各卫星的地心坐标地心坐标 ，又根据其他方法，又根据其他方法得得 到到基准站的基准站的准确地心坐标准确地心坐标 ，则可利用二者反，则可利用二者反求出求出 各卫星到基准站的各卫星到基准站的实距实距： 同时基准站同时基准站GPSGPS接收机测量到的伪距接收机测量到的伪距 包含各种误差，包含各种误差， 可以求出伪距的可以求出伪距的误差修正值误差修正值： i )(

35、s i s i s i zyx， )( ppp zyx， 222 )()()( p i sp i sp i s i s zzyyxxR i ii s i R 6.2.3 差分差分GPS定位原理及方法定位原理及方法 又可求出伪距误差又可求出伪距误差修正值的变化率修正值的变化率： 基准站将基准站将 、 传送给用户，则用户至卫星的传送给用户，则用户至卫星的伪距伪距 为：为： 由于修正后的伪距去由于修正后的伪距去除了除了基准站与用户基准站与用户共同的系统误差共同的系统误差， 因而：因而： t i i / i i )()()()( 0 ttttt i ii u i uc 0 )()(VttCRt SVP

36、R i u i uc dzzyyxx p i sp i sp i s 222 )()()( 6.2.3 差分差分GPS定位原理及方法定位原理及方法 与位置差分相比，伪距差分具有如下与位置差分相比，伪距差分具有如下优点优点：（：（1 1）基准）基准 站能够提供可见的站能够提供可见的所有卫星所有卫星的修正值，因而用户可选择接的修正值，因而用户可选择接 收收任意四颗任意四颗卫星的信号，而前者要求用户与基准站接收相卫星的信号，而前者要求用户与基准站接收相 同的四颗卫星；（同的四颗卫星；（2 2）计算的伪距修正值是直接在）计算的伪距修正值是直接在WGS-84WGS-84坐坐 标系标系上求得的，是直接修正

37、值，上求得的，是直接修正值，不用换算不用换算为当地坐标，因为当地坐标，因 而定位而定位精度高精度高。 当然两种方法当然两种方法同时要求同时要求：（：（1 1）基准站的）基准站的坐标要精确坐标要精确测测 定，这是定，这是DGPSDGPS的基础；的基础；2 2）用户与基准站之间的）用户与基准站之间的距离要有限距离要有限 制制，一般在，一般在100km100km以内，否则电离层延迟将导致较大误差。以内，否则电离层延迟将导致较大误差。 3 3）载波相位差分原理载波相位差分原理 载波相位差分技术载波相位差分技术是建立在是建立在实时实时处理处理两个测站两个测站的载波的载波 相位基础上的。它能实时提供观测点

38、的相位基础上的。它能实时提供观测点的三维坐标三维坐标，并达到，并达到 厘米级厘米级的高精度。的高精度。 实现实现载波相位差分载波相位差分的方法分为两类：的方法分为两类：修正法和差分法修正法和差分法。 前者与伪距差分相同，基准站将前者与伪距差分相同，基准站将载波相位修正量载波相位修正量发送给用发送给用 户站，以改正其载波相位，然后求解坐标。后者将基准站户站，以改正其载波相位，然后求解坐标。后者将基准站 采集的载波相位发送给用户站进行求差解算坐标。采集的载波相位发送给用户站进行求差解算坐标。 6.2.3 差分差分GPS定位原理及方法定位原理及方法 第第6 6章章 车辆定位技术车辆定位技术 概述概述

39、6.1 GPSGPS定位技术定位技术6.2 组合定位技术组合定位技术6.4 小结小结6.5 北斗卫星定位技术北斗卫星定位技术6.3 6.3.1 北斗定位原理北斗定位原理 “ “北斗一代北斗一代”与与“北斗二代北斗二代”两个系统在定位原理上两个系统在定位原理上采采 用用的都是的都是伪距定位伪距定位。 其其基本思想基本思想都是都是三球交汇原理三球交汇原理，但由于一代系统的观，但由于一代系统的观 测量只有两个且使用测量只有两个且使用有源的有源的工作方式，使得其在定位原理、工作方式，使得其在定位原理、 所能够提供的定位精度上与二代系统又存在着很大的不同所能够提供的定位精度上与二代系统又存在着很大的不同

40、。 北斗北斗卫星导航系统的定位是基于卫星导航系统的定位是基于“三球交会三球交会”原理，原理， 即以即以2 2颗卫星的颗卫星的已知坐标为圆心已知坐标为圆心，以测定的，以测定的卫星至用户接卫星至用户接 收机收机距离距离为为半径半径，作出，作出2 2个球面个球面，用户接收机必然位于这，用户接收机必然位于这2 2 个球面交线的圆弧上个球面交线的圆弧上。 6.3.1 北斗定位原理北斗定位原理 中心站的中心站的电子高程地图库电子高程地图库提供的是一个以地心为球心、提供的是一个以地心为球心、 以以球心球心至至地球表面高度地球表面高度为半径的非均匀球面。求解圆弧线为半径的非均匀球面。求解圆弧线 与地球表面交点

41、，并己知目标在赤道平面北侧（系统的覆与地球表面交点，并己知目标在赤道平面北侧（系统的覆 盖范围只在北半球），即可获得用户的盖范围只在北半球），即可获得用户的二维位置二维位置。如图所。如图所 示。示。 6.3.1 北斗定位原理北斗定位原理 “北斗一代北斗一代”系统定位的系统定位的几何原理几何原理是：是： 以两颗卫星为球心，以卫星到用户接收机的距离为半径以两颗卫星为球心，以卫星到用户接收机的距离为半径 形成两个球体。形成两个球体。由由两颗同步卫星在赤道平面的两颗同步卫星在赤道平面的弧度距离弧度距离为为 60o60o，计算计算知两者的知两者的直线距离直线距离为为4200km4200km，这一距离小于

42、两卫，这一距离小于两卫 星到接收机的距离之和（约星到接收机的距离之和（约7200km7200km），所以两球一定相交），所以两球一定相交 形成一形成一交线圆交线圆。同步卫星的轨道平面与赤道平面重合，该。同步卫星的轨道平面与赤道平面重合，该 交线圆必定交线圆必定垂直穿过垂直穿过赤道平面，在地球的南北半球各有一赤道平面，在地球的南北半球各有一 个交点，根据系统的个交点，根据系统的覆盖范围都在北半球覆盖范围都在北半球可知北半球的那可知北半球的那 个交点就是用户接收机的位置。个交点就是用户接收机的位置。 6.3.1 北斗定位原理北斗定位原理 “北斗一代北斗一代”的的工作原理工作原理如上图所示。如上图所

43、示。“北斗一代北斗一代”每每 应答一次地面中心处理站发出的询问信号，地面中心处理应答一次地面中心处理站发出的询问信号，地面中心处理 站可测得以下站可测得以下两个距离两个距离： 222112 1111 *RR *）R（2 tcSS tcS 6.3.1 北斗定位原理北斗定位原理 其中：其中： 若若已知用户的已知用户的高程值高程值为为H H（这一信息一般由用户自带的（这一信息一般由用户自带的 高程测量仪获得），则可以得到第三个方程：高程测量仪获得），则可以得到第三个方程： 联联立立三式即可得到用户坐标三式即可得到用户坐标。 222 2 0 2 0 2 0 )()()( )()()( zzyyxxR

44、zzyyxxS iiii iiii 222 zyxH 6.3.1 北斗定位原理北斗定位原理 “北斗二代北斗二代”卫星导航系统的定位原理与卫星导航系统的定位原理与GPSGPS类似，用类似，用 户接收机在其覆盖范围内户接收机在其覆盖范围内至少至少可以得到可以得到三个以上三个以上的观测量，的观测量， 在实际的导航定位应用中，考虑到接收机与卫星的在实际的导航定位应用中，考虑到接收机与卫星的时钟没时钟没 有严格的统一有严格的统一，将，将两者的钟差两者的钟差作为第四个参数进行求解，作为第四个参数进行求解， 因此因此至少需要四个观测方程至少需要四个观测方程： tcnzzyyxxx isinsinsinni

45、*)()()()( 222 6.3.2 北斗系统组成北斗系统组成 北斗卫星导航系统包括北斗一号和北斗二号共两代系统，北斗卫星导航系统包括北斗一号和北斗二号共两代系统， 由由空间段空间段，地面段地面段，用户段用户段三部分组成，如图所示。三部分组成，如图所示。 6.3.2 北斗系统组成北斗系统组成 空间段空间段包括包括五颗静止五颗静止和和三十颗三十颗非静止非静止轨道卫星轨道卫星。非静止非静止 轨道卫星轨道卫星由由2727颗中圆轨道卫星和颗中圆轨道卫星和3 3颗同步轨道卫星组成。颗同步轨道卫星组成。 地面段地面段包括包括主控站主控站、卫星导航注入站卫星导航注入站和和监测站监测站等若干个等若干个 地面

46、站。地面站。主控站主控站主要任务是主要任务是收集收集各个监测站段观测数据，各个监测站段观测数据， 进行进行数据处理，数据处理，生成生成卫星导航电文和差分完好性信息，卫星导航电文和差分完好性信息，完完 成成任务规划与调度，任务规划与调度，实现实现系统运行管理与控制等。系统运行管理与控制等。注入站注入站 主要任务是在主控站的统一调度下，完成卫星导航电文、主要任务是在主控站的统一调度下，完成卫星导航电文、 差分完好性信息注入和有效载荷段控制管理。差分完好性信息注入和有效载荷段控制管理。 6.3.2 北斗系统组成北斗系统组成 监测站监测站接收导航卫星信号，发送给主控站，实现对卫星接收导航卫星信号，发送

47、给主控站，实现对卫星 段跟踪、监测，为卫星轨道确定和时间同步提供观测资料。段跟踪、监测，为卫星轨道确定和时间同步提供观测资料。 用户段用户段包括北斗系统用户终端以及与其他卫星导航系统包括北斗系统用户终端以及与其他卫星导航系统 兼容的终端。系统采用卫星无线电测定兼容的终端。系统采用卫星无线电测定（RDSSRDSS）与卫星无与卫星无 线电导航线电导航（RNSSRNSS）集成体制集成体制，既能像，既能像GPSGPS、GLONASSGLONASS、 GALILEOGALILEO系统一样，为用户提供卫星无线电导航服务，又系统一样，为用户提供卫星无线电导航服务，又具具 有位置报告有位置报告以及以及短报文通

48、信功能短报文通信功能。 6.3.3 北斗工作过程北斗工作过程 地面控制中心地面控制中心向卫星向卫星I I和卫星和卫星IIII同时发送同时发送询问信号询问信号，经，经 卫星转发器向服务区内的用户卫星转发器向服务区内的用户广播广播。 用户用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星 发送响应信号，经卫星发送响应信号，经卫星转发回转发回中心控制系统中心控制系统。 中心控制中心控制系统系统接收并解调接收并解调用户发来的信号，然后根据用用户发来的信号，然后根据用 户申请的服务内容进行相应的户申请的服务内容进行相应的数据处理数据处理。 对对定位申请定位申请，

49、中心控制系统，中心控制系统测出测出两个时间两个时间延迟延迟：即从中：即从中 心控制系统发出询问信号，经某一颗心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，卫星转发到达用户， 用户发出定位响应信号，经用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系同一颗卫星转发回中心控制系 统的延迟统的延迟；从；从中心控制系统发出询问信号，经上述同一卫中心控制系统发出询问信号，经上述同一卫 星到达用户，用户发出响应信号，经星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星另一颗卫星转发回中转发回中 心控制系统的延迟心控制系统的延迟。 6.3.3 北斗工作过程北斗工作过程 由于由于中心控制系统中心控制系统和和两颗卫

50、星两颗卫星的的位置位置均是已知的，可以均是已知的，可以 由上述两个由上述两个延迟量延迟量计算出用户到第一颗卫星的计算出用户到第一颗卫星的距离距离，以及，以及 用户到两颗卫星用户到两颗卫星距离之和距离之和，从而知道用户处于一个以第一，从而知道用户处于一个以第一 颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面 之间的交线上；之间的交线上； 另外，中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图另外，中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图 查寻到查寻到用户高程值用户高程值，又知道用户处于某一与地球基准椭球，又知道用户处于某一与地球基准椭球 面平行的

51、椭球面上。面平行的椭球面上。 因此，中心控制系统利用因此，中心控制系统利用数值地图数值地图可计算出用户所在点可计算出用户所在点 的的三维坐标三维坐标，并将之与相关信息或通信内容一起发送到卫，并将之与相关信息或通信内容一起发送到卫 星，经星，经卫星转发器卫星转发器传送给用户或收件人。传送给用户或收件人。 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 组合定位技术组合定位技术6.4 北斗卫星定位技术北斗卫星定位技术6.3 小结小结6.5 6.4.1 GPS/DR组合定位系统组合定位系统 GPS/DR GPS/DR组合定位系统的组成组合定位系统的组成

52、GPS/DRGPS/DR组合定位系统由组合定位系统由GPSGPS定位系统定位系统、航位推算系统航位推算系统 （DRDR）和）和信息处理系统信息处理系统三部分构成，系统原理框图如图所三部分构成，系统原理框图如图所 示。示。 6.4.2 GPS/DR/MM组合定位技术组合定位技术 GPS/DR/MMGPS/DR/MM组合定位组合定位技术是将技术是将GPSGPS，航位推算航位推算和和地图匹地图匹 配配三者结合起来的组合定位技术三者结合起来的组合定位技术。 将三将三者的信息进行者的信息进行融合融合，在，在地图精度足够高地图精度足够高的情况下的情况下， 能够能够有效减少车辆运行时的有效减少车辆运行时的累

53、积误差累积误差，提高导航系统的，提高导航系统的定定 位精度位精度和和可靠性可靠性。 一般一般有两种方案：一种方案是有两种方案：一种方案是级联式级联式GPS/DR/MMGPS/DR/MM车辆组车辆组 合定位合定位，即将，即将GPSGPS和航位推算系统组合后的定位结果引入和航位推算系统组合后的定位结果引入 到电子地图中，利用地图匹配技术进一步修正定位结果到电子地图中，利用地图匹配技术进一步修正定位结果； 另另一种方案是将一种方案是将GPSGPS、航位推算系统和电子地图三者的、航位推算系统和电子地图三者的 定位信息一起进行定位信息一起进行组合滤波组合滤波，组合滤波可以采用集中式滤，组合滤波可以采用集中式滤 波和联邦式滤波，从而得到整个系统的最优解。波和联邦式滤波，从而得到整个系统的最优解。 6.4.2 GPS/DR/MM组合定位技术组合定位技术 在级联式在级联式GPS/DR/MMGPS/DR/MM车辆组合定位系统中，利用里程仪车辆组合定位系统中，利用里程仪 数据和角速率陀螺仪数据进行数据和角速率陀螺仪数据进行航位推算航位推算，将推算结果与，将推算结果与 GPSGPS接收机得到的数据通过接收机得到的数据通过卡尔曼滤波卡尔曼滤波实时校正实时校正组合系统组合系统 的的误