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GPS技术在智能交通系统中的应用分析
来源: 作者: 发布时间:2007-05-24  
       交通系统是一个人、车、路及其环境综合作用的复杂而庞大的系统,因此,仅分别从人、车、路方面考虑以期彻底解决交通拥挤问题是不切实际的。现在,人们开始从系统的观点出发,将人、车、路等因素综合考虑,将现代通讯技术、控制技术等综合运用于运输系统管理:一方面使人、车等交通系统中的“节点”对系统状况有充分了解,从而做出灵活的反映;另一方面使交通管理者能够动态、实时地了解和监控交通系统,使系统发挥最高效率,使“节点”和系统能够智能交互,实现整个系统的智能化,这就是智能交通系统(ITS,Intelligent Transportation System)[1]。

  车辆的位置是ITS的重要信息。全球定位系统(GPS)和地理信息(GPS)相结合可以实时、准确地提供位置信息,可见GPS是实现交通智能化的关键技术。随着信息化进程的加快,智能交通系统将在现代化交通工程中发挥越来越重要的作用。

   一、GPS技术概述

  全球定位系统(GPS,Global Poitioning System)是由美国建立了一个卫星导航定位系统,一般由空间部分、地面监控部分以及用户接收机三大部分组成,包括24颗卫星(21颗主用,3颗备用),利用该系统,用户可以在全球范围内实现全体候、连续、实时的三维导航定位和测速。接收器通过GPS卫星发送的数据计算二维(经度、纬度)或三维(经度、纬度、高度)位置[2]。

  GPS定位技术具有精度高、速度快、成本低的显著优点,成为目前世界上应用范围最广泛、实用性最强的全球精密授时、测距、导航、定位系统。我国GPS技术也在测量、海空导航、车辆引行、导弹制导、精密定位、动态观测、时间传递、速度测量等方面加以应用。

  二、GPS在ITS中的应用

  目前,随着GPS卫星导航定位技术与无线电通信网络的发展,GPS在ITS中的应用主要分为两大类。

  1、基于GPS技术实现的导航系统

  如图1所示,基于GPS实现的车辆导航系统由GPS接收机、微处理机、导航软件、显示器、地理信息系统组成。

  GPS接收机可同时接收四颗以上卫星信号,确定三维坐标,用以确定车辆位置。导航软件用于整个系统的数据处理和管理。显示器可用于实体运行情况的实时显示。地理信息系统用于存放地图和有关导航信息。主要典型应用包括:

  (1)车辆导航

  GPS车辆监控中心则为实时为其提供导航及其他增值服务,如:“前方路口右转”、“您已经偏离航线”、“前方lkm堵车,请选择其他路线”等信息提示。车辆导航系统的原理如图1所示。

  (2)行人导航

  GPS在个人旅游中能实现实时卫星定位,帮助旅游者获得正确地理位置及路线,位置误差可控制在10m以内,确保不迷失方向,保障旅游者玩得快乐也安全。

  2、基于GPS技术实现的车辆运营管理系统

  车辆运营管理系统是由GPS、GIS、无线电通信网络、多媒体、遥测遥控集成为一体的一种新型车辆运营管理系统,如图2所示,它主要是为了使车辆运营管理部门、安全保卫部门及时掌握车辆的运行状况,便于对车辆进行指挥调度,同时为驾驶员提供交通、公安和服务信息。根据不同要求,该系统管理的车辆可安装车辆导航系统,也可只装GPS接收机,以提供车辆位置信息。

  车辆监控中心有多台微型计算机、一台工作站与大屏幕显示器。为了对车辆进行监测与管理,在计算机内装有城市道路信息库、车辆运行状态监测软件、重要车辆运行路线优化设计软件、车辆运营调度管理系统软件、车辆报警紧急处理软件等。

  主要典型应用包括:

  (1)急救工交车监控和调度系统[3]

  急救部门、工交车和出租汽车可以采用GPS移动目标监控系统对各车辆发口的信息进行综合分析,再将调度命令发送给司机,及时调整车辆运行情况,实现有效管理。同时,还可以推广使用电子站牌,电子站牌通过无线数据链路接收即将到站车辆发出的位置和速度信息,显示车辆运行信息,并预测到站时间,为乘客提供方便。

  (2)的士叫车服务系统

  的士叫车服务系统和GPS监控系统互联互通,它在客户用电话请求服务时,快速通过GPS定位找到离乘客最近的空载车,马上答复客户载客的士的车牌号和到达时间,并同时通知该车前往接送客人,从而实现快速响应的优质叫车服务。

  (3)长途运输货运系统
主要集中体现在车主能够对车辆行使状态进行实时管理和货主实现对货物流动运转的实时在线查询。运输公司可以通过监控中心或网上查询了解车辆工作状态,同时,对于货物的委托用户,可以进行电话、手机短信或网上查询,及时了解货物运转状态。

  三、ITS对GPS的精度要求

  根据ISP标准,ITS的服务可氛围六大类,其中包括:旅行和交通管理,商业车辆管理,公共运输管理,电子收费,紧急情况处理和车辆安全系统,这六大类服务又可细化为相应的28个服务种类,其中至少有8种需要进行车辆的实时定位,它们对车辆定位的性能要求如表1所示。

  从表中可以看出,除了极少的情况外,GPS系统基本上能够满足ITS对车辆定位精度的要求。
四、PS在ITS应用中存在的问题及解决方案

  在实际应用中,系统存在以下几个问题:GPS定位精度,GPS盲区,GPS数据时空特性的应用。

  1、GPS定位精度

  GPS误差主要来源于GPS卫星、卫星信号的传播过程和地面接受设备,造成的后果是移动车辆在控制中心的电子地图上显示混乱。表2给出了采用标准定位服务的GPS测量误差来源的分类及各项误差对距离测量的影响。

  对GPS定位而言,GPS卫星的空间几何分布也会对定位精度产生一定程度的影响。在不计算美国SA政策的情况下,普通GPS接收机定位精度约为30m左右。加上美国实行SA政府对定位精度的影响,用户单点实时的精度只有100米左右,美国取消SA政策以后,拥护单点定时定位的精度可提升到30米左右。在电子地图上实时显示时仍很可能出现前面提到的情况。

  消除定位精度带来的影响一般是采用差分GPS,差分技术的优点是能够消除公共误差。对 GPS定位而言,差分是通过位置精度确认的,GPS基准站与定位点的GPS接收机同时接收 GPS卫星信号,通过差分来消除公共误差,从而提高定位点的定位精度。有效的差分可以完全消除共有误差(包括SA技术误差),大部分消除传播路径延迟误差。实时差分GPS(DGPS)定位的精度可以达到2-5米。

  2、GPS盲区

  GPS盲区是指GPS接收机可接收到信号的卫星数量小于4的地区。有时由于道路两旁地物特征复杂,又受密集的高大建筑物、隧道、立交桥、树木等地物的反射和遮蔽等影响,车载GPS接收机接收到的卫星信号存在严重的多路径效应,在某些区域内甚至会形成GPS定位盲区。

  俄罗斯的GLONASS在组成和功能上与美国的GPS相似,在定位、测速及定时精度上则优于施加SA之后的GP S。GLONASS既可以提供独立的导航服务,又可与GPS结合。将GLONASS组合到GPS中构成GNSS,主要有三个方面的优势:

  (1)有效性

  在有遮挡的情况下,仍可能接收到满足定位要求的可见星数,从而大大提高导航系统的有效性;

  (2)完整性

  在定位数据出错时给用户提供报警信息,用户能得到比单独GPS高出一倍的概率来实现完整性算法;

  (3)精度:

  由于GLONASS中没有SA,在非差分的情况下,GNS S的定位精度比单独的GPS高出5-10倍。

  GPS、GLONASS虽然有着较高的定位精度,但仍存在自主性差,抗干扰能力不强,动态性能有限等缺点。因此,在需要高精度定位的应用场合,卫星定位系统也不能作为唯一的导航设备,而需要与其它导航定位技术相互结合起来,充分发挥各自的优势并进行互补,才能获得满意的定位导航精度。车辆航位推算设备一般由角度传感器和位移传感器构成,角度传感器主要有磁罗盘、差动里程仪和角速率陀螺等,位移传感器主要有加速度计、里程仪和多普勒雷达等。一般采用角速率陀螺和里程仪组成航位推算设备。

  3、GPS数据时延误差

  由于GPS数据存在一定的误差,而且具有一定的时延性,同时地图也存在误差,因此GPS数据时延误差主要表现为与导航地图的实时匹配问题。

  要解决实时匹配精度,一是提高GPS数据和电子地图的精度。二是利用算法提高准确度,将误差的概率降到最低。三是改善网络设施,提高GPS数据在网络上传输的速度和完整性,尽量减少时延误差并且保证数据的完整。目前,关于地图实时匹配的研究是车辆导航系统中的研究热点。

  五、结论与展望

  GPS在ITS应用中得到其功能的有效发展,就要有效的解决数据融合、传输及相关技术,其中包括定位精度、地图匹配技术,GPS信号盲区处理,还应有控制平台的数据融合及分布式数据库等技术[7],以此实现各相关技术的有效集成。

  本文一方面论述了GPS技术的应用促进了ITS的发展;另一方面,指出了在ITS应用中存在的问题并给出解决方案,但事物总是发展变化的,其方法还会有不断改进、提高。随着网络技术和其它计算科学的发展,GPS的各项功能将不断提高,必将推进我国ITS的发展。
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