定位基于GPS公交站台自动报站系统的研究 毕业论文 课程设计

毕 业 论文

鲁小龙 170602020

( ) 物理与电子电气工程学院

基于GPS公交站台自动报站系统的研究

2010 年 5 月

淮阴师范学院毕业论文

摘 要：车载卫星定位系统，又称自动车辆定位系统，对它的研究起始于二十世纪七十年代。最初的应用是为了解决汽车文明带来的日益严重的城市交通问题。时至今日，车载卫星定位系统集合全球卫星定位技术，现代移动通信一技术，地理信息系统技术于一身，不仅在智能交通系统中担负主要作用， 同时还可以提供防盗防抢劫报警，紧急医疗求助等多种服务。但是， 由于目前车载卫星定位系统的无线传输大多采用GSM短消息通信技术，试验表明通过GSM短消息承载的数据通信业务，实际应用的传输时延不小于6秒，这对于实时性要求较高的需求，难以提供令人满意的应用。因此，采用GPRS技术来替代GSM无线数据传输部分，通过GPRS高达171.2kbps的通信速率，实现低于秒级的实时定位数据传输，成为车载卫星定位系统的发展方向。本文通过对GPS卫星定位理论，卫星数据处理的深入研究，提出一套基于GPRS无线通信技术的车载GPS卫星定位系统的设计方案。

:GPS卫星定位， GPRS无线通信。

Global Positioning System of vehicles， also known as auto vehicles locating systemis researched starting of in 1960s.The propose of study is to find a solution for the heavy traficissues in big cities that cause by the civilization of automobiles.Nowadays，auto vehicles locatingis compose of Global Positioning System， wireless communication and Global geographicalSystem.

It is not only the essential part of intelligent transportation system， but also providing grandagainst theft， grand against highjack，medical emergence and so forth.However， thecommunication part of auto vehicles locating is based on GSM-SMS which can not offerreal-time applications.The bearing of GPS of automobile's development is using GPRStechnology that has high speed of 171.2 kbps to change the GSM part .After that the GlobalPositioning System of vehicles will of erreal-time application.

Key Words:Global Positioning System of vehicles， GPRS communication system.

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随着城市的扩建，人们生活节奏的加快，公共交通问题显得日益重要，现在的交通系统也有了很大的发展，但现有的智能自动化系统大都用于私家车与商业运营车，在公交车辆尚未成功地应用，试用品也只是在某些城市开通，并为驾驶员和乘客考虑较小，在一些功能上还有待完善，所以暂时并没有普及市场，但公交车依然还是广大市民出行的主要交通工具，公共交通系统作为城市交通的主体，是城市肌体的动脉，在大城市交通中，公交车的服务应该尽可能地做到服务周到，它的服务质量与市民们的生活息息相关，也是衡量一个城市的文明标志。而国内大多数城市现有的公交车还是采用传统的公交系统，没有实现完全的智能化， 比如自动报站只能由人工按固定的序号键来实现报站，离不开驾驶员或售票员的相应操作，进站、 出站及转弯每次都需要人工的服务，这就大大加重了驾驶员的工作负担，存在一定的安全隐患，有时出于种种原因，可能存在漏报、错报或者干脆不报，给乘客带来了很大的不便。站牌没有显示，乘客等候车辆心理没有底。造成乘客在车内坐车担扰，在车外等车没底。

智能公交服务系统是目前解决公共交通服务问题较为有效的手段，另外对减少车辆拥挤、提高运行的安全性和有效性有着非常重要的意义。它的服务主要面对乘客与驾驶员来进行考虑，在人们的出行生活中起着尤为明显的作用。

智能公交服务系统可以具体描述为:采用全球定位系统(GPS)进行数据采集，根据车辆所处的位置进行自动报站等服务，并将定位数据等信息反馈给调度中心，调度中心再分发给电子站牌， 电子站牌接到信息及时更新其显示信息，从而实现完整的自动服务，实现公交车辆的自动报站、调度和指挥，保证车辆的准点运行，全面的服务，并使出行者能够通过电子站牌了解车辆的到达时刻。

这是一种先进的公交服务系统，它将电子、控制、计算机、通信等高新技术集中运用于公共交通系统，改造旧的服务模式，建立全新的服务体系，不但提高了其服务质量， 同时也将为公交企业和社会带来较大的经济和社会效益。表现在以下几个方面:

1.较为完美的乘客信息服务;

2.减少人工操作，尤其是驾驶员的负担;

3.快速、灵活的应变能力;

4.提升城市形象，提高国际竞争力;

5.带动其它相关产业的发展;

6.先进，实用，经济性;

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GPS(Global Positioning System)中文称全球定位系统， GPS全球定位系统是近年来迅速发展起来的一种卫星定位导航方式，是70年代美国国防部发展的第二代卫星导航系统。它可以提供全球范围内的导航定位数据，用户实时接收卫星发出的星历，可以推算出用户当前的位置、速度和时间等定位信息,是新一代的导航定位系统。它能够为全球任意地点、任意多个用户同时提供高精度、全天候、连续、实时的三维定位、测速和时间基准，它在智能公交系统中，起到定位的作用，其定位精度比较高，并且具有成本较低、系统覆盖面广、使用维护费用低、通讯可靠等特点。它是由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成的实用系统。这些星分布在互成60度的6个轨道平面上，每个轨道平面平均分布3颗卫星。这样，对于地球任何位置，均能同时观测到4颗卫星。

GPS在各行领域应用十分广泛，比如测量，航空等。它应用于智能公交系统是用来准确定位公交车辆的位置，车辆根据GPS定位数据来进行自动服务。 GPS在车辆定位时的优点有以下几个方面:

、具有全球性、连续性，定位精度较高、误差有界、成本较低等优点。

、安装相对方便。

、信息量丰富，使用GPS对定位的精度和定位自动化程度的提高十分有利。

、利用GPS系统的位置信息定位不存在累计误差，定位精度高。这样避免人工的里程修正，使系统的操作更加简便。

、地面GPS接收设备类型丰富，有各种类型的功能各异的GPS接收机产品，用于测量的，用于导航的等等。

、经济实惠，利用这种技术只需要一个GPS接收机便可以了。缺点:定位精度依赖于定位卫星的数目，这个数目依赖于地理环境。

公交车载终端利用GPS信息完成定位功能，根据定位完成自动报站等服务，解释如下:

车载终端的CPU读取经配置存储于EPROM中的站台信息(经纬度坐标值、站台序号和

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站名等) ， 同时接收GPS接收机传过来的位置、时间、速度等即时信息，将有效的GPS信息与站台位置信息进行比较、计算，判断车辆的当前位置和到站、 出站情况，通过语音和显示(LCD/LED屏)向车内乘客报站。

车载终端在工作过程中定时向调度中心发送GPS数据、报告当前位置，根据GPS数据来判断到达站台或离开站台的情况时， 向调度中心发送到站或出站消息，调度中心又将其分发给电子站牌，电子站牌接到消息及时响应作出相应的显示服务。综上所述，车载终端与电子站牌的服务都离不开GPS的定位信息，作出服务响应的依据是GPS信息，传送的数据也包括GPS数据，智能公交服务系统的研究与设计是建立在GPS的基础上展开的。

GPS由三个独立的部分组成:

1.空间部分---GPS卫星星座

2.地面控制部分---地面监控系统

3.用户设备部份---GPS信号接收机

GPS卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作(21+3)GPS星座。 24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度， 即轨道的升交点赤道各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为12恒星时。对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了计算观测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段” 。但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续性与实时性。

对于导航定位来说， GPS卫星是一动态己知点。卫星的位置是依据卫星发射的星历

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(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，是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。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准，即GPS时间系统。这就需要地面站监测出各颗卫星的时间，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。 GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。

GPS信号接收机的任务是:能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理， 以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。 GPS卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备， 即GPS信号接收机。

GPS接收机主要由GPS接收机天线， GPS接收机主机及电源组成。 GPS模块用于接收GPS卫星的信号，并计算出车载终端目前所在位置。接收机主机由变频器、信号通道、微处理器和存储单元及显示器组成。 GPS接收机通过串行口向主控制器发送定位坐标;主控制器也可以向GPS接收机发送设置命令，以控制GPS接收机的状态和工作方式。 GPS接收机需要配备专门的GPS天线接收GPS卫星信号。一般在比较开阔的地区，需接收到三颗以上的GPS卫星信号才能进行准确定位。在车载GPS智能终端系统中，把天线放置在车顶可以有比较好的定位效果。

车载型接收机属于导航型接收机，这种接收机主要用于运动物体的导航，它既可以实时给出物体的位置和运行速度。也可以引导载体到达预定目标。这种接收机都是采用C/A码伪距测量，动态绝对定位方式。这种接收机价格便宜，应用也广泛。导航型接收机另外还有航海型和航空型。

GPS接收机一般用蓄电池做电源。同时采用机内机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电， 以防止丢失数据。近几年， 国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5 mm,单频接收机在一定距离内精度可达10 mm。用于差分定位其精度可达分米级至厘米级。 目前，各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。公交定位系统精度只需要达到l0m即可。本系统采用的接收机可以达到其要求。

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GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为己知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。

定位就是确定信息、事物、 目标发生的时间和空间位置。因此，定位之前必须先要确定时间参考点和位置参考点，这也就是要建立时间参考坐标系统和位置参考坐标系统。时间与空间参考坐标系统的建立，一直就是测绘界和天文界最前沿的理论与技术研究方向， 目前仍然在不断发展之中。在时间和坐标系系统建立的基础上，然后再探讨如何在某个参考系统内确定事件、信息、 目标的具体位置和时间。

GPS定位方式可以分为绝对定位与相对定位方式两种。

参考坐标系统建立后的定位问题，而参考坐标系的建立和维持一方面有一套独立的理论和技术，另一方面也可以看成是定位技术的一个应用。在实际工作中，我们把直接确定信息、事件和目标相对于参考坐标系统的坐标位置测量称之为绝对定位，而把确定信息、事件和目标相对于坐标系统内另一已知或相关的信息、事件和目标的坐标位置关系称之为相对定位。应用GPS进行绝对定位，根据用户接收机天线所处的状态不同，又可分为动态绝对定位和静态绝对定位。当用户接收设计安置在动态的载体上，并处于动态的情况下，确定载体瞬时绝对位置的定位方法，称为动态绝对定位。动态绝对定位，一般只能得到没有(或很少)多余观测量的实时解。这种定位方法，被广泛应用于飞机、船舶以及陆地车辆等动态载体的导航。另外，在航空物探和卫星遥感等领域有着广泛的应用前景。

目前，无论是动态绝对定位还是静态绝对定位，所依据的观测量都是所测卫星至观测站的伪距，所以，相应的定位方法通常也称为伪距法。

绝对定位的优点是，只需一台接收机便可独立定位，观测的组织与实施简便，数据处理简单。

一般来说，绝对定位的概念比较抽象，涉及的技术比较复杂，定位精度也难以达到很高，而相对定位概念比较直观具体，实现的技术较为简单、直接，高精度也容易实现一些。例如，利用望远镜和测角设备的经纬仪测量北极星的高度角可以确定某一点在地球上的纬度，测量同一个恒星过格林尼治天文台和当地的时间差可以确定经度，是一种绝对定位。其最高精度一般可以达到0.5sec左右，相当于地球上15m的范围。用雷达测量运动的飞机的方位角和雷达与飞机间的斜距和高度角是相对定位测量的例

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子。类似于雷达的全站仪是由激光来测量仪器至目标的距离，用精密电子设备测量仪器至目标的方位角和高度角，其相对定位的精度可高达1-2个毫米。相对定位技术上较易实现，通过相对定位的方式，在己知某目标绝对定位结果的情况下，也可以获得新目标的绝对定位位置。

GPS定位的基本原理是通过不间断的接收卫星发送自身的星历参数和时间信息，把高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。 GPS定位的基本几何原理为三球交会原理:如果用户到卫星S1的真实距离为R1,那么用户的位置必定在以S1为球心， R1为半径的球面C1上;同样，若用户到卫星S2的真实距离为R2，那么，用户的位置也必定在以S2为球心， R2为半径的另一球C2上，用户的位置既在球C1上，又在球C2上，那它必定处在C1和C2这两球面的交线L1上。类似地，如果再有一个以卫星S3为球心， R3为半径的球C3，那用户的位置也必定在C2和C3这两个球面的交线L2上。用户的位置既在交线L1上，又会在交线L2上，它必定在交线L1和L2的交点上。 GPS系统定位的代数原理如图2-1所示。

图2-1三颗卫星的状态图

用户接收机与卫星之间的距离为R，坐标组合(xl,yl, zl) , (x2,y2, z2)和(x3,y3, z3)是三颗卫星的已知位置:可得以下代数方程式

R= （x1-x）)

R= （x2-x）)

R= （x3-x）)

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