基于浮动车的实时路况分析算法(3)

2.2 GPS浮动车采集交通信息原理

GPS浮动车是指安装有GPS定位设备和无线通信装置的普通车辆(如出租车、公交车、警车等)，这种车辆能够与交通信息中心进行信息交换。要知道浮动车如何采集交通信息，必须先了解GPS定位原理。 2.2.1 GPS系统组成

GPS系统主要由三大部分组成：空问星座部分、地面监控部分和用户设备部分。这三个部分对GPS系统的正常工作所起的作用各不相同，缺一不可。

（1）空间星座部分

GPS系统的星座部分主要由2l颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。这24颗卫星 均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55°，轨道的升交点赤经各相差60°，每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90°，一个轨道平面上的卫星比两边相邻轨道平面上的相应卫星升交角距超前30°。卫星轨道为椭圆形，平均高度约20200kin，运行周期大约ll小时58分。在两万多公里高空中的GPS卫星，当地球自转一周时，它们绕地球运行两周。这样对于地面的观测者来说，每天将提前约4分钟见到同一颗GPS卫星，且每天见到的卫星几何分布相同。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而有所不同，最少可见到4颗，最多时可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了解算点位的经度、纬度和高程，必须至少观测4颗GPS卫星。空间星座中3颗备用卫星可在必要时根据指令代替发生故障的卫星，这对保障GPS系统高效可靠的工作非常重要。

图2.2 GPS卫星分布图

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（2）地面监控部分

GPS的地面监控部分主要由分布在全球的6个地面站构成，其中包括卫星监测站、主控站、备用主控站和信息注入站。地面监控部分的大部分工作都是在原子钟和计算机的控制下自动完成的，其中监测站和注入站均可做到24小时无人值守，各站点间数据通信都是利用专用网络实现，具有较高的效率和自动化程度。 对于地面监控系统来说，GPS卫星是一个动态己知点。卫星的位置是依据卫星发射的星历——描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历均由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一个重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准——GPS时间系统。这就需要地面站监测各个卫星的时间，求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。

（3）用户设备部分

作为被动式的定位技术，GPS用户必须通过专用信号接收设备才能达到定位目的。用户设备部分的主要设备是GPS接收机，它是一种特制的无线电接收机。其主要作用是接收导航卫星发出的信号，对卫星信号进行处理后依据所得数据确定接收机所在的地理位置。GPS接收机的种类虽然很多，但它的硬件结构基本一致，分为天线单元和接收单元两部分。图2．3是一个简化的GPS接收机结构示意图。天线单元由接收天线和前置放大器组成，其主要作用是接收卫星信号。接收单元包括信号通道、存储、计算与显示控制及电源等部件。其主要功能是接收来自天线的信号，经过变频、放大、滤波等一系列处理，实现对GPS信号的跟踪、锁定、解调、分离，得到导航信息。根据收到的卫星星历、伪距观测数据以及载波观测量，计算出三维坐标和时间。接收单元的显示控制等部件可以完成人机对话、输入各种指令、控制屏幕显示等操作。

图2.3 GPS接收机结构示意图

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2.2.2 GPS定位原理

全球定位系统采用多星、高轨、测距体制，以距离作为基本观测量。通过对4颗卫星同时进行距离测量，即可解算出接收机的位置。

如图2.4所示，装在载体上的接收机，同时测定至4颗卫星的距离，方法是测量卫星发射电波至接收机接收到电波的时间差τ、乘以光速c求得距离p，即

p?c???c?tr?ts? （2—1） 式中，tr为接收机接收的时刻，ts为卫星发射电波的时刻。GPS统一采用原子时

系统，由于卫星钟和接收机时钟与GPS原子时不同步，都存在钟差。设其分别为△tr与△ts，实际测得的时间差包含有钟差的影响，为：

'???tr??tr???ts??ts? （2—2）

卫星距离测量原理如2.4图所示：

图2.4 卫星距离测量原理图

卫星钟差由GPS地面监控系统测定，并通过导航电文提供给用户，可以认为是已知值，所以实际测得的距离应为(已加卫星钟差改正)

p?c??c?tr?ts??c??tr （2—3）

''

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因为距离观测值P'中包含了接收机钟差引起的误差，而不是接收机至卫星的真正距离P，故称其为伪距观测值。

一般用户很难(也没有必要)以足够的精度测定接收机的钟差，可以把它作为一个待定参数与接收机的位置坐标一并解出。将公式写为：

p?'?X?X???Y?Y???Z?Z?22jjj2?c??tr （2—4）

式中Xj，Yj，Zj表示第j颗卫星在地球协议坐标系(WGS-84)中的直角坐标，它们可以利用卫星发播的导航电文中给出的卫星位置信息计算得到，故可以认为是已知量。而X，Y，Z为接收机在同一坐标系中的位置坐标，与接收机钟差同为待求量。共4个未知参数，只须对4颗卫星同步观测，获得4个伪距观测值P' (j=1，2，3，4)组成4个方程式，通过解算即可解出接收机位置(X，Y，Z)和钟差△t。

从上面的描述可知，GPS信号接收机工作原理的关键在于如何识别和锁定来自不同GPS卫星的导航定位信号，并逐一测量它们到达接收天线的传播时间。实际问题中，伪距是利用调制在载波上的伪随机噪声码测得的。利用C／A码伪距进行单点(绝对)定位的精度约为20-30m(水平位置)，利用P码伪距进行绝对定位的精度约15-25m，但P码是保密的，只能供美国及其合约国家的军方使用，而C／A码可提供给全世界所有的用户使用。

严格的说，上文所述的是没有多余观测时(只有4颗卫星)的GPS静态定位原理，而本文采用的GPS浮动车是将GPS接收机安装在运动的车辆中，这样GPS接收机天线处于运动状态，天线相位中心的坐标是一个连续变化的量，而且以目前的GPS卫星星座配置，多数情况下观测站上可见的卫星都超过4颗。这就需要建立一个存在多余观测的动态定位模型。在动态定位中，对多余观测量进行平差计算，将前一时刻的点位坐标作为当前时刻点位的初始坐标，这就要求第一个点位坐标值必须精确，一般都是经过多次迭代求得第一点精确的三维坐标，并为后续点位的解算提供初始坐标值。

2.2.3 GPS浮动车采集交通信息原理

浮动车技术对车辆本身及驾驶员的驾驶行为不作任何要求，与一般的社会车辆无异。装有GPS收发装置的车辆行驶在道路上，接收GPS卫星发出的信息，将这些信息存储在车载设备的数据存储器中，并按照一定的周期通过无线通信网络发送给交通信息控制中心。控制中心对接收到的信息进行分析处理，获得实时的路况信息，再将这些信息通过无线通信网络发布。这些数据不仅可以用于交通状态判别，还可以用于交通评估、交通规划、车辆导航等，为交通出行者和管理者提供信息依

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据。该技术不仅可以实现全天候、大范围的采集，而且能够直接获得车辆的位置、速度和行程时间信息，监测成本小、效率高。

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