GPS在智能交通网中的应用

西安电子科技大学

卫星导航定位基础

（大作业）

GPS在智能交通系统中的应用

学 号 ： 1401120096 专 业 ： 通信与信息系统 姓 名 ： 孟梅梅

2015年6月15日

GPS在智能交通系统中的应用

摘 要

全球卫星定位系统（GPS），以其高精度、全天候等特点著称。本文简要介绍了智能交通系统的现状、系统组成和GPS的基本原理。GPS 技术能够提供高精度的实时动态定位，给予驾驶员必要的路况和导航信息，有效地解决了交通拥挤、混乱的问题。随着信息科学技术和GPS 技术的不断发展，智能交通系统将会在交通工程中发挥越来越重要的作用。 关键字 ：智能交通；GPS；动态实时定位

前 言

随着国民经济快速发展以及机动车数量的急剧增加，我国道路交通拥挤的现象极其严重，导致出行运输效率低下，这严重影响人们的生活和出行，从而有效的解决交通拥挤和堵塞称为了我国城市交通面临的一项十分紧迫的任务。

GPS（Global Positioning System，全球卫星定位系统）是通过人造卫星对地面上的目标进行测定并进行定位的导航技术，其实际意义应为导航卫星测时和测距/全球定位系统（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System）。GPS是美国于上世纪70年始研制，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有海、陆、空进行全方位实时三维导航和定位能力。

目前GPS技术已经取得了长足的发展和进步，它能提供高精度的实时动态定位，给予驾驶员必要的路况和导航信息，从而有效的解决交通拥挤、混乱的难题。相信，随着信息科学技术和GPS技术的不断发展，智能交通网将会在交通工程中发挥越来越重要的作用。

第一章 智能交通系统

智能交通系统（Intelligent Transport System，简称ITS）是指将先进的信息技术、无线电通信网络技术、自动控制技术、计算机及图形图像显示等技术有机的集成，应用于整个交通运输管理体系，在大范围内建立起实时、准确、全方位发挥作用的交通运输综合管理和控制系统。ITS通过人、车、路的和谐、密切配合提高交通运输效率，缓解交通阻塞，提高路网通过能力，减少交通事故，降低能源消耗，减轻环境污染，主要应用于包括机场、车站客流疏导系统，城市交通智能调度系统，高速公路智能调度系统，运营车辆调度管理系统，机动车自动控制系统等。

1.1智能交通系统的组成

主要由交通信息采集系统，信息处理分析系统以及信息发布系统组成。其中，信息采集系统主

要包络：人工输入、GPS车载导航仪器、GPS导航手机、车辆通行电子信息卡、CCTV摄像机、红外雷达监测器、线圈检测器以及光学检测仪等；信息处理分析系统包络：信息服务器、专家系统、GIS应用系统、人工决策等；信息发布系统包络：互联网、手机、车载终端、广播、路侧广播、电子情报板以及电话服务台等。

智能交通系统的系统模块如图1.1所示：

系统模块条件统计违章统计数据浏览和检索视频照片设备管理查看设备删除设备增加设备用户管理删除用户用户授权增加用户流量统计按月统计按日统计按小时统计按路口统计

图1.1智能交通系统模块图

1.1 智能交通系统的应用现状及其子系统

1.2.1 ITS应用现状

智能交通系统世界上应用最为广泛的地区是日本，如日本的ITS系统相当完备和成熟，其次美国、欧洲等地区也普遍应用。中国的智能交通系统发展迅速，在北京、上海、广州等大城市已经建设了先进的智能交通系统；其中，北京建立了道路交通控制、公共交通指挥与调度、高速公路管理和紧急事件管理的4大ITS系统；广州建立了交通信息共用主平台、物流信息平台和静态交通管理系统的3大ITS系统。随着智能交通系统技术的发展，智能交通系统将在交通运输行业得到越来越广泛的运用。

1.2.2 ITS子系统

（1）先进的交通信息服务系统（ATIS）：

ATIS建立在完善的信息网络基础上，交通参与者通过装备在道路上、车上、换乘站上、停车场上以及气象中心的传感器和传输设备，向交通信息中心提供各地的实时交通信息；ATIS得到这些信息并通过处理后，实时向交通参与者提供道路交通信息、公共交通信息、换乘信息、交通气象信息、停车场信息以及与出行相关的其他信息；出行者根据这些信息确定自己的出行方式、选择路线。更进一步，当车上装备了自动定位和导航系统时，该系统可以帮助驾驶员自动选择行驶路线。

（2）先进的交通管理系统（ATMS）：

ATMS有一部分与ATIS共用信息采集、处理和传输系统，但是ATMS主要是给交通管理者使用的，用于检测控制和管理公路交通，在道路、车辆和驾驶员之间提供通讯联系。它将对道路系统中的交通状况、交通事故、气象状况和交通环境进行实时的监视，依靠先进的车辆检测技术和计算

机信息处理技术，获得有关交通状况的信息，并根据收集到的信息对交通进行控制。

（3）先进的公共交通系统（APTS）：

APTS的主要目的是采用各种智能技术促进公共运输业的发展，使公交系统实现安全便捷、经济、运量大的目标。

（4）先进的车辆控制系统（AVCS）

AVCS的目的是开发帮助驾驶员实行对本车辆控制的各种技术，从而使汽车行驶安全、高效。AVCS包括对驾驶员的警告和帮助，障碍物避免等自动驾驶技术。

此外还有运货管理系统、电子收费系统（ETC）以及紧急救援系统（EMS）等。

第二章 GPS技术概述

利用GPS定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统，称为全球卫星定位系统，简称GPS。GPS是由美国国防部研制建立的一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统，能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息，是卫星通信技术在导航领域的应用典范，它极大地提高了地球社会的信息化水平，有力地推动了数字经济的发展。

2.1 GPS系统简介

GPS系统包括三大部分：空间部分——GPS卫星星座；地面控制部分——地面监控系统；用户设备部分——GPS信号接收机。

（1）GPS卫星星座

由24颗卫星（21颗工作卫星；3颗备用卫星）组成，位于距地表20200km的上空，运行周期为12h。卫星均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55°。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息

（2）地面监控系统：

由一个主控站，三个注入站和五个监测站组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市。地面控制站负责收集由卫星传回的讯息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。

（3）GPS信号接收机

主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。

2.2 GPS基本原理

根据测距原理，GPS的定位原理与方法主要有伪距定位法、载波相位定位和差分GPS定位。用户用GPS 接收机在某一时刻同时接收三颗以上的GPS 卫星信号，测量出测站点（接收机天线中心） P 至三颗以上GPS 卫星的距离并解算出该时刻GPS 卫星的空间坐标，据此利用距离交会法解算出测站P 的位置。用距离交会法求解 P 点三维坐标（X,Y,Z）的观测方程为：

12=(X-X1)2(Y-Y1)2(Z-Z1)222221=(X-X2)(Y-Y2)(Z-Z2) 2=(X-X)2(Y-Y)2(Z-Z)23331其中，1,2,3分别为P点到三颗卫星的距离，(Xj,Yj,Zj)，j1,2,3为三颗卫星的坐标。

2.3 GPS系统的特点

（1）定位精度高，观测时间短；

（2）测站间无需通视； （3）全天候作业；

（4）功能全，应用广等。

第三章 GPS在智能交通中的应用

3.1车辆定位系统

服务控制中心通过广域网与邮电GSM短消息中心连网，通过分布式数据库技术实时更新车辆的信息并实时发布市区各路段交通流量信息。另外，一旦车辆发出遇劫、被盗等警情时，服务控制中心也可将车辆位置信息及警情信息通过广域网送110指挥中心，由门出警。该系统可扩大到全省连网，形成真正意义上的广域系统，这时可用DDN专线和建立分控中心的方式进行管理。

车辆定位系统的基本功能有：

（1） 下载电子导航地图：通过Internet可以下载当地的电子地图，地图可以实现无级放大、

缩小；地图浏览；地理目标信息查询；各种操作在线帮助；车辆运行轨迹再现；行车路线预先设定。若车辆偏离预设路线时可发出提示信息；最短路径与最佳路径选择；接警、出警管理。

（2） 各路段交通流量信息的接收与显示。

（3） 实时监控：一般情况下，监控中心对车辆不进行实时监控，需要时，监控中心可对车

辆进行点名监视并可受理报警。服务控制中心收到车辆报警信号后，应给出声光报警提示,同时对报警车辆进行屏幕自动跟踪。显示以报警车为中心的距离标识，根据车辆档案库,显示出报警车辆的各种参数，如编号、车型、车牌、颜色、车主、车主电话等，显示出附近警力配置情况及救援方案。

（4） 与110联网：服务控制中心还具有与110接警系统或GPS/AVL系统相连

的能力，使系统服务进一步增强，还可以与120、119、122相连，组成社会紧急系统。

（5） 调度功能：每辆车每次出车时可向服务控制中心登录，一般车辆可选择被监控，或不

被监控，但中心可以强迫其进人被监控状态，特殊车辆登录后，即进入被监控状态。中心可通过话音和车载设备上的液晶屏幕向车辆发送调度信息。

3.2 车辆导航系统

车辆导航系统包络了路径选择模块，路径诱导单元和无线通信模块。其中，路径选择是帮助司机在出发前或者路途中选择行车路径的过程。这在车辆导航中是一个基本问题，可以进一步划分为多车辆路径选择和单车辆路径选择。

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。如下图3.2所示：

FM天线FM/DGPSGPS天线显示器GPS接收机微处理机导航软件数据库

图3.2 车辆导航系统

该系统集GPS定位技术、GSM通信技术、GIS地理信息显示技术和PDA技术为一体，能为车辆导航提供全面的服务。车辆通过车载导航设备接收GPS数据，在显示屏幕的地图上显示汽车行驶中的位置以及到达目的地的方向和距离等。可以方便驾驶人员在公路网范围内定向选择最佳行车路线，同时可以为驾驶人员提前提供前方行车信息，例如道路拐弯，道路拥挤程度，事故易发地等。

该系统主要功能有：

（1） 地图浏览功能：主要指对电子地图数据进行操作的功能。

（2） 信息查询功能：主要指对属性数据与图形数据的相互查询，如目标查询、范围查询、模

糊查询等。为用户提供主要信息，如旅游景点、宾馆、医院等数据，用户能够在电子地图上根据需要进行查询，并在电子地图上显示出其位置。

（3） 路径分析功能：由用户输入起点和终点，由计算机软件计算最短行驶路线，并在地图窗

口中予以显示，确定最终的行驶路线。

（4） 导航定位系统：利用GPS和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置，可以随目标移

动式目标始终保持在屏幕上。

3.3 指挥调度系统

指挥调度系统主要是由车载信息采集系统、通信子系统、计算机网络子系统、调度平台子系统组成。后面的三个系统工作的基础就是信息采集系统中的信息采集。这时由于所有的调度程序都需要有原始信息采集，然后根据信息集中比较分析来调度指挥。而信息采集主要靠的是GPS的车辆定位技术。该系统由控制中心、通讯系统、差分站和车载设备组成。

该系统各个部分的功能为：

（1） 控制中心分为数据处理部分和图形显示部分。

（2） 差分站负责解算出GPS卫星的位置修正信息，并通过通讯设备及时发送给车载设备处

理，从而达到精确定位的目的。

（3） 车载设备负责实时解算出车辆自身位置，并送给控制中心；同时，车载设备还处理中心

发来的命令和司机给中心的请求。

3.4 小结

通过以上简要的分析和介绍，可以知道 GPS 具有良好的技术性能，能够应用于智能交通系统，有效地缓解交通压力，为整个交通工程提供服务。随着现代科技技术和智能交通系统的发展，GPS 在ITS 上的研究将逐步深入和广泛，发挥出更大的作用。

第四章GPS在智能交通中的发展前景

4.1国外应用情况

在发达国家，车载导航已经非常成熟。日本的车载导航发展是全球领先的，目前超过80%的新车装有车载导航，附带覆盖全国的电子地图。特有的准3G无线通信网络使驾车人可以在车上实现宽带上网，日本已经实现了几乎全部城市的道路信息实时发布。由于巨大的市场潜力和不可估量的发展前景，日本几乎所有的汽车生产厂家都参加了这一高科技角逐，如宏达、尼桑、本田、马自达、三菱以及松下、先锋、阿尔派、健伍等公司都已开发出自己的车载导航产品。

世界其它发达国家如美国、德国、荷兰也不甘落后。在美国，高档车上原厂配备导航设备，中档车型的用户可以选装或者购车后自行安装，附带的电子地图可以覆盖整个北美地区和欧盟地区。在欧洲，由飞利浦、西门子开发的车载导航系统1995年已在雷诺、菲亚特等大众化民用车辆上使用。

4.2 我国应用情况

在国内，安华北斗、奥星等公司最近推出了支持CDMA1X通信功能的GPS导航设备，与国外导航设备功能大致相当，能够实现导航功能、电子地图、转向语音提示功能、定位功能、测速功能、显示航迹。

值得期待的是，传统厂商新科最新研发的新科GPS卫星导航器有六大特点：  拥有欧美及全中国的电子地图；

 快速路径检索，只需要输入地方名称，新科GPS就会自动设计路线；

 独特的语音提示，在国内可选择不同的地方方言进行导航，在国外有十几种不同的语音；  方便快捷的大屏幕触摸液晶屏；  可以播放DVD大片；

 声音调频发射，可将导航语音或者碟片的音频信号发射到汽车收音机调频，通过汽车音响

放大播出。

结束语

GPS将在21世纪发挥越来越深远的影响，各国将投量的人力、物力和财力来研究开发GPS技术。GPS技术在欧、美、日等国发展迅速，为ITS的发展创造了有利的条件。由于我国GPS技术才刚刚起步，GPS基础设施（地面接收站、接收机等）还未健全，规范和标准的制定还需要一定时间，ITS中与GPS相关的技术和设备不够成熟，还有大量的研究工作要做。随着现代高科技以及ITS

技术的发展，在引进和消化国外先进技术的同时加快自身的研究和开发工作，我国的GPS技术一定能迎头赶上西方发达国家，使GPS更好地为ITS服务。

参考文献

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