GPS集中差分技術(shù)在城市車輛智能交通管理中的應(yīng)用

1   引言

   在國外，車載GPS全球定位系統(tǒng)正逐步成為中高檔車必須的配置。在美國Rockwell公司研制了先進(jìn)的轉(zhuǎn)彎接轉(zhuǎn)彎導(dǎo)航和信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括小型彩色顯示屏幕、方向傳感器和GPS接收機(jī)，該系統(tǒng)具有最有效的道路選擇功能、轉(zhuǎn)彎接轉(zhuǎn)彎的轉(zhuǎn)向功能和車輛精確定位等多項(xiàng)功能。在日本和歐洲國家，在中高檔車內(nèi)均已安裝了GPS車輛自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)和基于GPS的智能地理信息管理系統(tǒng)。
隨著我國城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和城市車輛的日益增加，尤其是車輛的交通管理、交通服務(wù)和交通安全越來越顯得重要。因此，車載GPS系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
智能交通系統(tǒng)--ITS(interligent  transport  system)與無線電通信系統(tǒng)結(jié)合在一起，車輛和指揮中心之間就可以通過雙工通信，以形成定位導(dǎo)航和交通管理系統(tǒng)，它不僅使車輛具有定位導(dǎo)航的能力，而且能對車輛進(jìn)行調(diào)度、管理以及多種服務(wù)。它主要完成車輛的識別和定位、自動(dòng)導(dǎo)航、交通監(jiān)視、通信和信息處理技術(shù)。
ITS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括三大部分：車載系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和地面監(jiān)控中心管理系統(tǒng)

    1、車載系統(tǒng)
由車載定位單元、定位信息的發(fā)送和接收單元、顯示單元和車載計(jì)算機(jī)組成。
車載GPS的主要功能：
    1） 車載定位單元
由 GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)接收衛(wèi)星發(fā)來的定位信息，如給出機(jī)動(dòng)車輛的實(shí)時(shí)位置、速度等信息。
    2）定位信息的接收發(fā)送功能
GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)定位信息并將定位信息發(fā)送給監(jiān)控中心，同時(shí)接收監(jiān)控中心發(fā)來的調(diào)度指令。
    3）數(shù)據(jù)顯示功能
將自身車輛的實(shí)時(shí)位置和地面監(jiān)控指揮中心發(fā)送的調(diào)度指令顯示出來。
    4）報(bào)警功能
一旦出現(xiàn)緊急情況，啟動(dòng)報(bào)警裝置，監(jiān)控中心立即顯示出車輛情況、出事地點(diǎn)和時(shí)間等信息。

    2、通信系統(tǒng)
通信系統(tǒng)通過雙工通信單元為機(jī)動(dòng)車輛和地面監(jiān)控中心控制管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)將車輛的位置、狀態(tài)、請求服務(wù)等信息送到中心管理系統(tǒng)或接收來自控制中心的情報(bào)、命令等信息。

    3、地面監(jiān)控中心管理系統(tǒng)
由中心控制管理站、計(jì)算機(jī)、調(diào)度管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、通信路由管理系統(tǒng)和大屏幕顯示器等組成。
計(jì)算機(jī)存有數(shù)字地圖，先進(jìn)的AVLN系統(tǒng)并配有地址匹配、地圖匹配、最佳路徑計(jì)算和行駛指導(dǎo)等。
大屏幕顯示器可以在數(shù)字地圖上顯示車輛的位置等信息。

2  集中差分技術(shù)原理

一般差分GPS技術(shù)，在每一輛車都需裝有GPS接收機(jī)，并且接收改正數(shù)，這樣會(huì)造成車載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作速度慢等缺點(diǎn)。因此在實(shí)際應(yīng)用中可采用集中差分技術(shù)。
集中差分技術(shù)包括車載部分和控制中心管理系統(tǒng)兩部分，車載部分安裝有GPS接收機(jī)和通信電臺(tái)，它只接收GPS信號而不必考慮差分信號的接收，并通過通信電臺(tái)將GPS定位信號發(fā)至地面監(jiān)控中心，監(jiān)控中心集中再進(jìn)行差分處理、記錄、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)。
地面監(jiān)控中心設(shè)在基準(zhǔn)站位置，坐標(biāo)精確已知?；鶞?zhǔn)點(diǎn)上安裝GPS接收機(jī)，同時(shí)安裝通信電臺(tái)、計(jì)算機(jī)、電子地圖和顯示器等。工作時(shí)每個(gè)車輛上的GPS接收機(jī)將其位置、時(shí)間和車輛編號等信息一同發(fā)送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心GPS接收機(jī)將所測得的三維位置與該站的已知坐標(biāo)進(jìn)行比較，求出差分改正數(shù)。并發(fā)送回該車輛，對車輛位置進(jìn)行改正，計(jì)算出車輛的實(shí)時(shí)位置，經(jīng)坐標(biāo)變換后顯示在屏幕上。
系統(tǒng)工作原理如圖所示

二、測量方法：

偽距差分技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的一種差分技術(shù)，幾乎所有的商用差分GPS接收機(jī)均采用該技術(shù)，國際海事無線電委員會(huì)推薦的RTCM-104也采用該技術(shù)。因此，從系統(tǒng)的通用性和實(shí)用性的角度考慮，在集中差分定位系統(tǒng)中采用偽距差分技術(shù)。
設(shè)基準(zhǔn)站（控制中心）的精確坐標(biāo)為（X0、Y0、Z0），由星歷數(shù)據(jù)計(jì)算得到的某一時(shí)刻第i顆衛(wèi)星的地心坐標(biāo)為（Xi、Yi、Zi），則此時(shí)該衛(wèi)星到基準(zhǔn)站的距離為

3  誤差分析：

設(shè)J為基站位置，U為用戶車載設(shè)備位置，基準(zhǔn)站與用戶站之間的距離為n，基站至衛(wèi)星的偽距為ρj，用戶至衛(wèi)星的偽距為ρu。設(shè)衛(wèi)星實(shí)際位置與GPS信號傳播的位置之間的斜距為d，基準(zhǔn)站和用戶站的偽距測量誤差分別為δρj 和δρu。由圖可見δρj≠δρu。用基準(zhǔn)站偽距差分誤差δρj來修正用戶車載設(shè)備的測量值顯然存在無法校準(zhǔn)的剩余誤差。其誤差值為：

由此可見，該法可將車輛與基準(zhǔn)站之間的公共誤差相互抵消。
若衛(wèi)星的位置誤差σ=1000m，基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的真實(shí)距離為R=20000Km，隨著車輛與地面監(jiān)控指揮中心的距離變化，其測量誤差如下表所示：

由上表可見，對城市交通車輛管理來說，只要車輛與地面監(jiān)控指揮中心的距離不超過范圍，測量精度足夠高。
從實(shí)際應(yīng)用上看，集中差分技術(shù)具有車載設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，測量誤差小的特點(diǎn)，同時(shí)數(shù)據(jù)通信可采用原有車輛的通信設(shè)備，只要增加通信轉(zhuǎn)換接口即可。因此，具有較好的實(shí)際應(yīng)用效果。