差分GPS定位技术在ITS中的应用.docx
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差分GPS定位技术在ITS中的应用
概述
1随着社会的发展,机动车辆增加,交通拥塞导致时间延迟,交通事故增多,环境污染加剧,这些都会造成巨大的经济损失。
各国纷纷开展研究,旨在利用计算机、现代通信及自动化等现代高新技术来改善交通状况,建立智能交通系统,合理利用现有道路交通设施,充分发挥道路交通的（ITS潜能,提高道路通行能力,以便有效地解决交通拥塞现象。
是将先进的信息技术、导航定位技术、数据通信技术、ITS自动控制技术、图像分析技术以及计算机网络与处理技术等现代高新技术有效地运用于整个交通运输体系,使人、车辆、道路密切配合,和谐地统一,建立在一种大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合系统,是一种新型交通系统。
在智能交通系统中的应用主要基于这样一种考虑:
GPS在中,一个关键的问题就是要准确地知道车辆当前所在ITS的位置,这个问题通常采用全球定位系统技术解决。
（GPS是美国维护的卫星全球定位系统,包括个部分:
GPS3GPS
卫星空间部分
、地面支撑系统地面监控部分、接收（（GPS机用户部分。
它可以为地面用户提供精确的三维位置、三（维速度和时间。
它由颗距地球万多公里的人造地球卫星242组成,形成对地面的连续、均匀覆盖。
定位的特点是全GPS天候、实时性和高精度,因此倍受测量和导航用户的青睐。
在中的应用主要体现在车辆定位和导航上,在GPSITS的诸多应用中,车辆定位导航应用发展最快,它可以改GPS善交通条件,提高交通流量和系统动态响应通行条件,从而避免地区交通拥挤,取得巨大的经济效益和社会效益。
目前,车辆应用已跃居各应用之首,车辆应用有种GPSGPS3类型:
美国的汽车急救系统;日本的车辆导航仪;（1（2（3中国的车辆调度系统。
从目前的情况来看,日本的车辆导航仪应用最具规模,而且已有全国性的与之匹配的道路交通信息系统及其中心。
美国的急救系统也在不断的扩大应用之中。
我国的车辆调度指挥系统正值蓬勃发展,尤其在公GPS安、金融部门中应用最为广泛。
是一套较为完备的服务体系,服务可分为大ITSITS6组,包括:
旅行和交通管理、商业车辆管理、公共运输管理、电子付款、应急管理和先进的车辆安全系统,这大服6务又可进一步细化为个服务种类,其中至少有种需要知288道车辆的实时位置。
对车辆导航的精度要求见表。
ITS1表对车辆导航的精度要求表
1ITS服务种类精度要求（m服务种类精度要求（m防撞1导航与路线引导5~20自动车辆监视30数据采集25~35自动车辆识别
30车辆指挥与控制30~50公共安全10自动话音报站25~30资源管理
30
应急响应
75~100
事故或应急响应30
采用差分技术的原因在于:
美国政府在设计GPSGPS中,计划提供两种服务:
一种是标准定位服务,利用—SPS粗码定位,精度约为试验应用时,实际精度达（C/A100m（,提供给民间用户使用;另一种是精密定位服务14m—,利用精码码定位,精度达到试验应用时,实际PPS（P10m（精度达,提供给军方和特许的民间用户使用。
鉴于现实3m与计划的矛盾,美国政府采取了政SA（SelectiveAvailability策,人为地将误差引入卫星时钟和卫星数据中,故意降低的定位精度,保证其军事上的优势。
事实上,差分技术GPS很早就被人们所应用,它实际上是在一个测站对两个目标的观测量、两个测站对一个目标的观测量或一个测站对一个目标的两次观测量之间进行求差。
其目的在于消除公共项,这包括公共误差和公共参数,而提取有用的相对量。
在差分技术中,通过求差通常包括位置差分和伪距差分部分GPS（地消除距离不远的两个单点的卫星种差、星历误差、电离层延迟误差、对流层延迟误差。
经过差分之后,民用的精
GPS差分定位技术在中的应用
GPSITS金辉,胡福乔,霍宏
上海交通大学图像处理与模式识别研究所,上海
（200030摘要:
差分技术在智能交通系统中的应用主要体现在车辆定位和导航两个方面,而实现导航首先必须要解决定位问题。
文章内容包GPS括:
差分的定位原理主要介绍伪距差分原理,误差估算的数学模型,最后给出采用集中差分技术的应用实例以及对它的评价,并简要介GPS（绍了一些差分设备。
GPS关键词:
智能交通系统;;差分GPSGPS
ApplicationsofDifferentialGPSinITS
,JINHuiHUFuqiaoHUOHong
（InstituteofImageProcessing&PatternRecognition,ShanghaiJiaotongUniv.,Shanghai200030
【】-AbstractTherearetwowaysusingDGPSinITSvehicleslocationandnavigation,andlocationisthebaseofnavigation.ThispapersummarizesthetheoryofDGPS（mainlyaboutpseudo-rangeDGPSandpresentsthemathematicalmodelforerrorestimation.AtlastanapplicationusingcentralizeddifferentialGPStechnologyanditsestimationaregiven.SomeDGPSdevicesareintroducedinaddition.【】;;KeywordsIntelligenttransportationsystems（ITSGlobalpositioningsystemDifferentialGPS
第28卷 第10期Vol.28№10
计 算 机 工 程ComputerEngineering
2002年10月October2002
・工程应用技术与实现・
中图分类号:
TP18
文章编号:
1000—3428（200210—0200—03
文献标识码:
A
—200—
度可达到的水平。
3~5m差分的定位原理
2GPS根据差分基准站发送的信息方式不同可将差分GPSGPS定位技术分为:
伪距差分、相位平滑伪距差分、载波相位差
分和位置差分原理较简单,本文略去介绍
。
它们的工作原（理是相同的,都是由基准站发送改正数,由用户站接收并对其测量结果进行改正,以获得精确的定位结果。
所不同的是,发送改正数的具体内容不一样,其差分定位精度也不同,这里主要介绍采用的伪距差分原理。
安装在基准站上的接收机观测颗卫星后便可进行三维定位,解算出基准GPS4站的坐标。
伪距差分
（1伪距差分是目前用途最广的一种技术。
几乎所有的商用差分接收机均采用这种技术。
在基准站上的接收机要求GPS得到它与可见卫星间的距离,并将此计算出的距离与含有误βα−差的测量值加以比较。
利用一个滤波器将此差值进行滤波并求出偏差。
然后将所有卫星的测距误差传输给用户,用户利用此测距误差来改正测量的伪距。
最后,用户利用改正后的伪距求解出本身的位置,就可消去公共误差,提高定位精度。
i
ρ基准站的接收机测量出全部卫星的伪距和收集GPS
等、、、、、tieAΩω全部卫星的星历文件。
利用已采集（
的轨道根数计算出各个卫星的地心坐标,,[XYZ]i,同时,我们可以获得基准站的地心坐标,,[XYZ]b。
这样,利用每一时刻计算的卫星地心坐标和基准站的已知地心坐标求出每
i
R一时刻到基准站的真距:
2
22（（bibibiiZZYYXXR−+−+−=式中,上标i
表示第颗卫星,下同。
i基准站接收机测量的伪距包括各种误差,与真距不GPS同。
可以求出伪距的改正数:
i
i
i
Rρρ−=∆（1
i
ρ&∆同时可求出伪距改正数的变化率为iρ∆i
ρ&
∆基准站将和传给各用户台,用户台测量出伪
iu
ρ距再加上以上的改正数,便求得经过改正的伪距:
（（（（0ttttti
iiuiucorr−∆+∆+=ρρρρ&（3利用改正后的伪距,只要观测颗卫星就可以4按下式计算用户站的坐标。
i
ucorrρ1vdC
Riu+•+τ==
1222（（（vdCZZYYXXuiuiui+•+−+−+−ττd式中,为钟差,为接收机噪声。
v相位平滑伪距差分
（2接收机除了提供伪距测量外,稍加改进,可同时提GPS供载波相位测量。
由于载波相位的测量精度比码相位的测量精度高个数量级,因此如果能获得载波整周数,就可以获2得近乎无噪声的伪距测量。
一般情况下,无法获得载波整周数,但能获得载波多普勒频率计数。
实际上,载波多普勒计数测量反映了载波相位变化信息,即反映了伪距变化率的测量。
在接收机中一般利用这一信息作为用户的速度估GPS计。
考虑到载波多普勒测量的高精度,并且精确地反映了伪距变化,因此若能利用这一信息来辅助码伪距测量就可以获
得比单独采用码伪距离测量更高的精度。
这一思想也就称为相位平滑伪距测量。
载波相位差分技术
（3精度为米级的差分应用已成功应用于较多的领域,GPS随之而来的是更加精密的测量技术——载波相位差分技术,这又称为技术,是建立在实时处RTK（RealTimeKinematic理两个测站的载波相位基础上的。
它能实时提供观测点的三维坐标,并达到厘米级的高精度。
与伪距差分原理相同,由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。
用户站接收卫星的载波相位与来自基准站GPS的载波相位,并组成相位差分观测值进行实时处理,能实时给出厘米级的定位精度。
实现载波相位差分技术的方法分为两类:
修正法与差分法。
前者与伪距差分相同,基准站将载波相位修正量发送给用户站,以改正其载波相位,然后求解坐标。
后者将基准站采集的载波相位发送给用户台进行求差解算坐标。
前者为准技术,后者为真正的技术。
RTKRTK引入误差估算的数学模型
3掌握差分定位技术在中应用所采用的原理后,GPSITS还必须经过实际的测试检验。
一般采用这两种方法:
相（1对测量包括静止测量和运动测量:
这是在统一的坐标系中（进行的,它代表了差分测量系统的定位精度;绝对测GPS（2量:
在差分应用中,一般都是与当地坐标系或当地地形GPS图相联的。
如一定地区航线运动时偏离量是多少,利用GPS测量的距离与真实距离差别有多大,这就需要绝对测量。
现引入误差估算的数学模型。
以上检验工作是在平面上λ0ϕ进行的,其位置输出为精度和纬度。
设基站的真位置,（00BBϕλ,（00PPϕλ为,用户台的真位置为,基准台的测,（BiBiϕλ,（PiPiϕλ量值为,用户台的测量值为。
显示,（Bi
Bi
ϕλ,（Pi
Pi
ϕλ和为随机量。
（BiBiϕλ
（Pi
Pi
ϕ
λ
采用数理统计法,令和的数学期望
值分别为:
（,（BiBiBiBiEϕλϕλ=（5,（,（PiPiPiPiEϕλϕλ=
（6
（BiBiδϕδλ,（PiPiδϕδλ
（Bi
Biϕλ令、分别为,（PiPiϕλ和与其真值的误差,也是一随机量:
（,（,（00BBBiBiBiBiϕλϕλδϕδλ−=（7
（,（,（00PPPiPiPiPiϕλϕλδϕδλ−=
（8
（Bi
Bi
δϕ
δλ
（Pi
Pi
δϕ
δλ
PBmm,令和
的数学期望值为。
则有:
（BiBiEδϕδλB
m=（9
（PiPiEδϕδλPm=（10,（BiBiδϕδλ,（PiPiδϕδλBσP
σ令和的均方误差为与,
则有:
2,（B
BBiBBimmEσδϕδλ=−−（112
（P
PPiPPimmEσδϕδλ=−−
（12
（BiBiδϕδλ,（PiPiδϕδλBPσ令和的协方差为,则
BP
PPiPPiBBiBBimmmmEσδϕδλδϕδλ=−−−−,,,（（13
（BiBiδϕδλ差分的基本思想是用基准站的实测误差GPS—201—
t
∆∆ρ
（ti
ucorrρ
（Pi
Piϕ
λ去修正用户台的实测位置,设修正后的用户位置以
（PPϕλ表示,则有:
（PPϕλ,（PiPiϕλ,（BiBiδϕδλ—=（14
（PPϕλ那么,经过改正的用户坐标与用户的真位置,（00PPϕλ,（PPϕλ∆∆之间的误差也是一个随机量。
（PPϕλ∆∆,（00PPPPϕϕλλ−−==
（BiPiBiPiδϕδϕδλδλ−−
（15
于是其数学期望值为:
BPBBPPPPmmEEE−=−−−=∆∆（（,（δϕδλδϕδλϕλ
（162
σ2
σ2
],（,[（PPPPEEϕλϕλ∆∆−∆∆方差为:
=
=BP
PBσσσ22
2−+（17
由式和看出,当基准站和用户台测量误差的数（16（17学期望值越接近,它们的相关性越强,方差也越近,则差分精度也越高。
在对差分系统检验时,用户台可记录的点GPS位是经过差分改正的式。
而此时用户台的真位置（1400,PPϕλ是不知道的。
因此在作业时,可在一段时间内连（
（,,（2211PPPPϕλϕλ续记取改正后的位置将全部,......,观测值取中数,求得最大或然值,可近似作为真值,即
（00PPϕλ然后,求出每一个观测值与此最大或然值之差:
（,（00PiPPiPiiϕϕλλϕλ−−=∆∆（19最后,按下列公式求出经度、纬度和位置的均方误差。
1（1
20−−=
∑
nN
iPi
Pλλ
σ
λ
1（1
2
−−=
∑nNiPiPλλ
σϕ1（cos（11
2
022
0−−+−=
∑∑==nNiN
iPiPPPiPPϕϕϕλλσ式为差分定位的位置均方误差公式。
（22GPS
应用差分技术的系统实例
4GPSITS图为实际应用中采用集中差分技术的原理图。
1GPS图采用集中差分技术的原理图
1GPS每一辆车装有通用接收机和通信电台,调度中心设
GPS在基准站位置,坐标精确已知,也安装有通用接收机、GPS通信电台和数据处理器、大屏幕显示器。
工作时,各车辆上的接收器将其位置、时间和车辆编号一同发送到调度中GPS心。
调度中心用差分改正数将其改正,计算出精确坐标,经过坐标转换后,显示在大屏幕上。
利用这种差分定位系GPS统有如下特点:
集中差分功能可以简化车辆的设备,提高1了工作的可靠性。
车辆只接收信号,不必考虑差分信号GPS的接收。
调度室集中差分处理,易于显示、记录和存档。
2数据通信可采用现有的车辆通信设备,这样既保留原有的无线通话,又能进行无线数据通信,只要增加通信转换接口即可,因而节约了设备,降低了成本。
给每辆车固定编号,3它与定位信息一同编入电文,按时或按总部指令将其发送给总部。
调度室据此可识别车辆,并显示在电子地图上。
在电子地图上将显示出各车辆的位置,为调度和指挥提供信息。
最后介绍一下差分设备:
应用较广的有在全球建立GPS的广域差分设备;公司生产的GPS（WADGPSASHTECHM-、、,可装入差分板选件,构成差分X11MD-X11Z-X11GPS的基准站和流动站;公司生产的GPSGARMINSRVYIITM可作为提供差分信息的基准站,其它、RTCMSC-104GPS-50、均可作为差分流动台;另外还有、GPS-65GPS-75LEICA、、、等。
MAGNAVOXSERCELTRIMBLESY-118参考文献
魏还毅译差分方法综述导航1BlackwellEG..GPS.,1987,（3张其善刘晖在中的应用电子产品世界2,
.GPSITS.,1999,（5周忠漠卫星测量原理与应用北京测绘出版社3.GPS.:
1997王广运郭秉义差分定位技术与应用北京电子工业出版社4,.GPS.:
1996
上接第页（80
可能将现实的活生生的教学环境和方法应用于网络教学中,
提高学生网上学习的兴趣,从而真正提高网上教学质量;同时本系统的总体框架是为建立多学科的通用的模块化的网上教学平台,为今后开展广泛的网上教育提供技术基础服务。
参考文献
杜秀凤多媒体课件中学习过程的设计与实现中国远程教育1..,2001-06
郑翔基于工作流技术的多媒体远程教学课件模型的设计与实现2
..
计算机工程与应用,2001-05
许华虎高珏唐毅基于辅助设计和汽车制动系统动画广告3,
.3DS
制作计算机研究与发展.,1998-11许华虎高珏辅助微机二维造型、三维放样模块系4,
.AutoCAD3DS统现代计算机
.,1997-05
夏骄雄高珏陆菊康等数据库存取技术在中的应用计算5,..IBMIS.
机工程,2000,26（7:
26
—202—
∑=≈N
iPiPiN
1
（1ϕλ☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆
（20（21（22
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