GPS集中差分技术在城市车辆智能交通管理中的应用

1   引言

   在国外，车载GPS全球定位系统正逐步成为中高档车必须的配置。在美国Rockwell公司研制了先进的转弯接转弯导航和信息系统，该系统包括小型彩色显示屏幕、方向传感器和GPS接收机，该系统具有最有效的道路选择功能、转弯接转弯的转向功能和车辆精确定位等多项功能。在日本和欧洲国家，在中高档车内均已安装了GPS车辆自动导航系统和基于GPS的智能地理信息管理系统。
随着我国城市建设规模的不断扩大和城市车辆的日益增加，尤其是车辆的交通管理、交通服务和交通安全越来越显得重要。因此，车载GPS系统得到了越来越广泛的应用。
智能交通系统--ITS(interligent  transport  system)与无线电通信系统结合在一起，车辆和指挥中心之间就可以通过双工通信，以形成定位导航和交通管理系统，它不仅使车辆具有定位导航的能力，而且能对车辆进行调度、管理以及多种服务。它主要完成车辆的识别和定位、自动导航、交通监视、通信和信息处理技术。
ITS的系统结构主要包括三大部分：车载系统、通信系统和地面监控中心管理系统

    1、车载系统
由车载定位单元、定位信息的发送和接收单元、显示单元和车载计算机组成。
车载GPS的主要功能：
    1） 车载定位单元
由 GPS接收机实时接收卫星发来的定位信息，如给出机动车辆的实时位置、速度等信息。
    2）定位信息的接收发送功能
GPS接收机实时定位信息并将定位信息发送给监控中心，同时接收监控中心发来的调度指令。
    3）数据显示功能
将自身车辆的实时位置和地面监控指挥中心发送的调度指令显示出来。
    4）报警功能
一旦出现紧急情况，启动报警装置，监控中心立即显示出车辆情况、出事地点和时间等信息。

    2、通信系统
通信系统通过双工通信单元为机动车辆和地面监控中心控制管理系统实现将车辆的位置、状态、请求服务等信息送到中心管理系统或接收来自控制中心的情报、命令等信息。

    3、地面监控中心管理系统
由中心控制管理站、计算机、调度管理系统、数据库、通信路由管理系统和大屏幕显示器等组成。
计算机存有数字地图，先进的AVLN系统并配有地址匹配、地图匹配、最佳路径计算和行驶指导等。
大屏幕显示器可以在数字地图上显示车辆的位置等信息。

2  集中差分技术原理

一般差分GPS技术，在每一辆车都需装有GPS接收机，并且接收改正数，这样会造成车载系统的结构复杂，工作速度慢等缺点。因此在实际应用中可采用集中差分技术。
集中差分技术包括车载部分和控制中心管理系统两部分，车载部分安装有GPS接收机和通信电台，它只接收GPS信号而不必考虑差分信号的接收，并通过通信电台将GPS定位信号发至地面监控中心，监控中心集中再进行差分处理、记录、存储和数据。
地面监控中心设在基准站位置，坐标精确已知。基准点上安装GPS接收机，同时安装通信电台、计算机、电子地图和显示器等。工作时每个车辆上的GPS接收机将其位置、时间和车辆编号等信息一同发送到监控中心，监控中心GPS接收机将所测得的三维位置与该站的已知坐标进行比较，求出差分改正数。并发送回该车辆，对车辆位置进行改正，计算出车辆的实时位置，经坐标变换后显示在屏幕上。
系统工作原理如图所示

二、测量方法：

伪距差分技术是目前应用最广泛的一种差分技术，几乎所有的商用差分GPS接收机均采用该技术，国际海事无线电委员会推荐的RTCM-104也采用该技术。因此，从系统的通用性和实用性的角度考虑，在集中差分定位系统中采用伪距差分技术。
设基准站（控制中心）的精确坐标为（X0、Y0、Z0），由星历数据计算得到的某一时刻第i颗卫星的地心坐标为（Xi、Yi、Zi），则此时该卫星到基准站的距离为

3  误差分析：

设J为基站位置，U为用户车载设备位置，基准站与用户站之间的距离为n，基站至卫星的伪距为ρj，用户至卫星的伪距为ρu。设卫星实际位置与GPS信号传播的位置之间的斜距为d，基准站和用户站的伪距测量误差分别为δρj 和δρu。由图可见δρj≠δρu。用基准站伪距差分误差δρj来修正用户车载设备的测量值显然存在无法校准的剩余误差。其误差值为：

由此可见，该法可将车辆与基准站之间的公共误差相互抵消。
若卫星的位置误差σ=1000m，基准站到卫星的真实距离为R=20000Km，随着车辆与地面监控指挥中心的距离变化，其测量误差如下表所示：

由上表可见，对城市交通车辆管理来说，只要车辆与地面监控指挥中心的距离不超过范围，测量精度足够高。
从实际应用上看，集中差分技术具有车载设备结构简单，测量误差小的特点，同时数据通信可采用原有车辆的通信设备，只要增加通信转换接口即可。因此，具有较好的实际应用效果。