智能交通运输系统课件_4
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2012-4-26 北京交通大学电子信息工程学院 蔡伯根 4
ITS 系统中的定位功能
ITS中定位的概念
在ITS系统中，定位系统用于测量汽车、卡车、公共 汽车和列车等的位置
定位系统的例子有：无线电远距离导航系统Loran, Omega, GPS, 雷达, 声纳, 陆地车辆跟踪系统和航位推 测系统 (DR)
2012-4-26
北京交通大学电子信息工程学院 蔡伯根
7
（1）GPS
用四个卫星确定三维坐标和时间 接收机的位置是一系列卫星伪距的交点
2012-4-26
北京交通大学电子信息工程学院 蔡伯根
8
NAVSTAR GPS系统（授时与测距导航系统/全球定位系统）
自1973年以来，经过三个研制阶段：
1973--1978 方案论证，理论研究和总体设计 1978--1988 进行工程研制，发GPS试验卫星 1989--1993 进行实用组网
伽利略计划建设总额大约在32亿到36亿欧元之间，其 中启动经费为11亿欧元，由欧洲航天局和欧盟分别承 担50%。另外的21亿到25亿欧元为系统展开阶段费用， 其中包括发射30颗卫星。欧盟委员会希望私营企业至 少能够承担这部分费用的三分之二。
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2012-4-26 北京交通大学电子信息工程学院 蔡伯根 19
GLONASS定位技术
GLONASS系统的主要用途是导航定位，当然与 GPS系统一样，也可以广泛应用于各种等级和种 类的测量应用、GIS应用和时频应用等。 GLONASS的定位精度：GLONASS系统单点定位 精度水平方向为16m，垂直方向为25m。 为进 一步提高Glonass系统的定位能力，开拓广大的 民用市场，俄政府计划用4年时间将其更新为 Glonass-M系统。内容有：改进一些地面测控站 设施；延长卫星的在轨寿命到8年；实现系统高 的定位精度：位置精度提高到10～15m，定时 精度提高到20～30ns，速度精度达到0.01m／s。
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Galileo系统
系统组成：伽利略系统由四大部分组成：空间段、地面段、用 户段和环境段。 空间段：由分布在三个轨道上的30颗中等高度轨道卫星（MEO） 构成，每个轨道面上有10颗卫星，9颗正常工作，1颗运行备用； 卫星的轨道高度为2.4万公里，轨道面倾角为56度。（“伽俐略” 将为用户提供误差不超过1米、时间精确的定位服务。） 地面段：包括全球地面控制段、全球地面任务段、全球域网、 导航管理中心、地面支持设施、地面管理机构。 用户段：用户段主要就是用户接收机及其等同产品，伽利略系 统考虑将与GPS、GLONASS的导航信号一起组成复合型卫星导 航系统，因此用户接收机将是多用途、兼容性接收机。 环境段：环境段通常包括电离层、对流层、多径效应和无线电 干扰等。
Galileo系统
Galileo系统的体系结构：Galileo系统的星座可由9颗静 止卫星与21颗中轨道（MEO）卫星或者完全由30颗 MEO卫星组成。卫星重量在600公斤左右，功耗为 1.7kw系统传递的信号强度（－155dBW／m2）优于 GPS（-158dBW／m2），提高了抗干扰性。在建议的 体系结构中，主要的挑战在于定时问题，即时间同步。 Galileo将使用地面上的铯原子钟，而GPS的这些时钟是 安装在卫星上的。卫星上将配备铷钟，可以提供纳秒 级的定时精度。轨道的计算在地面上进行。
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空间、控制、用户部分的功能与输出
S eg m en t S p ace In p u t N av ig atio n M essag e F u n ctio n G en erate an d tran sm it co d e an d carrier p h ases, n av ig atio n m essag e P ro d u ct P (Y )-co d es, C /A -co d es, L 1 ,L 2 carrier, n av ig atio n m essag e P (Y )-co d e, o b serv atio n s, p ro d u ce G P S tim e, n av ig atio n tim e (U T C ) ep h em erid es, m essag e m an ag e sp ace v eh icles co d e an d carrier p h ase n av ig atio n so lu tio n , p o sitio n , o b serv atio n s, n av ig atio n relativ e p o sitio n g , v elo city, m essag e O T F, etc tim e
C o n tro l
U ser
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11
空间部分
Satellites -Block II/IIA/IIR/IIF Ground Antenna Master Control Station Monitor Station User Equipment
2012-4-26
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2
三、ITS中主要关键技术专题
计算机网络、通信技术、人工智能技术（略） 传感器技术（前述） 车辆定位技术 交通地理信息系统（GIS-T） 信息融合 存储卡技术 交通仿真技术 ……
2012-4-26 北京交通大学电子信息工程学院 蔡伯根 3
（一）车辆定位与导航技术
智能交通系统
蔡伯根
北京交通大学电子信息工程学院
Tel: 51687111 Office: SY1107 Email: cbg@telecom.njtu.edu.cn bgcai@center.njtu.edu.cn
2012-4-26 1
北京交通大学电子信息工程学院 蔡伯根
课程内容
概论 交通控制系统基础 ITS的概念和关键技术 体系结构、研究领域 系统举例、标准化 综合智能交通系统（铁路、水运、航空）
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2012-4-26
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（2）其它卫星定位系统
GLONASS GALILEO 北斗
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GLONASS定位技术
GLObal NAvigation Satellite System(全球导航卫星系统) GLONASS的定位技术与GPS相同，即以精确的定时和卫星量程计算为基准来 进行。所需的精确定时由每颗卫星上的多个原子钟来提供。每个卫星使用两 个频率（频段）来传送。民用代码（仅在较低频率上）和军用代码均调制在 这些频率上。此外，每颗卫星都广播有关每个时刻卫星所处位置的信息。这 一点非常必要，否则只知道接收机与未知点之间的距离，而得不到有关自己 位置的信息。 GLONASS卫星发送两个伪随机噪声代码：一个代码是民用码SPS（标准定位 服务，相当于GPS中的C／A），其码率为511kbit／S；另一个代码是机密的 军用码PPS（精密定位服务，相当于GPS的P），其码率为5.11Mbit/s。码率 数值超高，定位精度也越高。GLONASS接收机的工作原理与GPS接收机大致 相当。接收机生成一份代码（此为已知），并与从卫星接收的代码比较，得 出内部代码的时间差代表卫星信号的传播时间。测量的时间乘以光速即可求 得至卫星的距离。以同样的方法测量至三颗卫星的距离可得出三维位置，另 外还需要通过测量至第四颗卫星的距离来解决接收机中的时钟问题。 GPS与GLONASS系统比较：GPS和GLONASS系统有很多相似之处，但很明显 GLONASS努力采用较少的卫星数量。对于较高的纬度，GLONASS由于具有较 高的轨道倾角而更受青睐。另外，GLONASS的码率大约为GPS的一半，若 GPS的精度不受SA的约束，GLONASS则不会有定位精度的优势。
2012-4-26
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21
Galileo系统
伽利略计划分4个阶段逐步实施。
第一阶段是系统可行性评估或定义阶段(2000年前结束)； 第二阶段为开发和检测阶段(2001年至2005年)； 第三阶段是部署阶段(2006年至2007年)； 第四阶段为商业运行阶段(2008年以后)。 (2008 )
用户部分
地面部分
Master Control Station (Schriever AFB)
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差分GPS定位(DGPS)
2012-4-26
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自动车辆定位系统（AVL）
2012-4-26
北京交通大学电子信息工程学院 蔡伯根
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GLONASS定位技术
虽然，GLONASS业己建成，但由于俄罗斯目前 的经济情况尚不能抽出财力维持它的完全运作， 所以GLONASS星座中的有效工作卫星仅有11颗 活动星(其中6、7号星工作不正常，2003年3月 止)，所以其影响较小。
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GLONASS定位技术
星座与信号：GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组 成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面 8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11小时15分， 轨道倾角64.8°。 与美国的GPS系统不同的是GLONASS系统采用频分多 址(FDMA)方式，根据载波频率来区分不同卫星（GPS 是码分多址（CDMA），根据调制码来区分卫星）。每 颗GLONASS卫星发播的两种载波的频率分别为 L1=1,602+0.5625k(MHz)和L2=1,246+0.4375k(MHz)， 其中k=1～24为每颗卫星的频率编号。所有GPS卫星的 载波的频率是相同，均为L1=1575.42MHz和 L2=1227.6MHz。
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北京交通大学电子信息工程学院 蔡伯根
GLONASS定位技术
GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪 声码：S码和P码。俄罗斯对GLONASS系统采用 了军民合用、不加密的开放政策。 GLONASS卫星由质子号运载火箭一箭三星发射 入轨，卫星采用三轴稳定体制，整量质量 1400kg，设计轨道寿命5年。所有GLONASS卫 星均使用精密铯钟作为其频率基准。第一颗 GLONASS卫星于1982年10月12日发射升空。到 目前为止，共发射了80余颗GLONASS卫星，最 近一次是2001年12月1日发射了三颗卫星。俄计 划将系统发播频率改为GPS的频率，并得到美罗 克威尔公司的技术支援。
基于卫星的定位技术（GNSS）
GPS、GLONASS、GALILEO、北斗 增强技术（DGPS、LAAS、WAAS、EGNOS）
基于无线电的定位技术 惯性导航（INS, Inertial Navigation System）、航位推 算（DR, Dead Reckoning） 地图匹配技术（MM, Map-Matching） …… LBS(Location Based Service) AVL(Automatic Vechicle Location)
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5
ITS 系统中的定位功能 （续）
如果没有定位系统，ITS系统中的许多其它先进功能 是无法实现的
没有一个“完美”的定位系统适用于所有的ITS应用
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6
1、基于卫星的定位技术（GNSS）
GPS GLONASS GALILEO 北斗 增强技术（DGPS、LAAS、WAAS、EGNOS）
投资300亿美元，耗时20年，于1993年6月 基本建成 是继阿波罗登月、航天飞机之后的第三大空 间工程
2012-4-26 北京交通大学电子信息工程学院 蔡伯根Fra Baidu bibliotek9
GPS概述
共有21+3颗卫星绕着地球转，它们全天候地 昼夜发送高精度的、连续的、实时的定位和 定时信息。提供给用户三维坐标、三维速度 分量和精确定时。 GPS系统由三部分组成： 空间部分 控制部分 用户部分
ITS 系统中的定位功能
ITS中定位的概念
在ITS系统中，定位系统用于测量汽车、卡车、公共 汽车和列车等的位置
定位系统的例子有：无线电远距离导航系统Loran, Omega, GPS, 雷达, 声纳, 陆地车辆跟踪系统和航位推 测系统 (DR)
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（1）GPS
用四个卫星确定三维坐标和时间 接收机的位置是一系列卫星伪距的交点
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NAVSTAR GPS系统（授时与测距导航系统/全球定位系统）
自1973年以来，经过三个研制阶段：
1973--1978 方案论证，理论研究和总体设计 1978--1988 进行工程研制，发GPS试验卫星 1989--1993 进行实用组网
伽利略计划建设总额大约在32亿到36亿欧元之间，其 中启动经费为11亿欧元，由欧洲航天局和欧盟分别承 担50%。另外的21亿到25亿欧元为系统展开阶段费用， 其中包括发射30颗卫星。欧盟委员会希望私营企业至 少能够承担这部分费用的三分之二。
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GLONASS定位技术
GLONASS系统的主要用途是导航定位，当然与 GPS系统一样，也可以广泛应用于各种等级和种 类的测量应用、GIS应用和时频应用等。 GLONASS的定位精度：GLONASS系统单点定位 精度水平方向为16m，垂直方向为25m。 为进 一步提高Glonass系统的定位能力，开拓广大的 民用市场，俄政府计划用4年时间将其更新为 Glonass-M系统。内容有：改进一些地面测控站 设施；延长卫星的在轨寿命到8年；实现系统高 的定位精度：位置精度提高到10～15m，定时 精度提高到20～30ns，速度精度达到0.01m／s。
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Galileo系统
系统组成：伽利略系统由四大部分组成：空间段、地面段、用 户段和环境段。 空间段：由分布在三个轨道上的30颗中等高度轨道卫星（MEO） 构成，每个轨道面上有10颗卫星，9颗正常工作，1颗运行备用； 卫星的轨道高度为2.4万公里，轨道面倾角为56度。（“伽俐略” 将为用户提供误差不超过1米、时间精确的定位服务。） 地面段：包括全球地面控制段、全球地面任务段、全球域网、 导航管理中心、地面支持设施、地面管理机构。 用户段：用户段主要就是用户接收机及其等同产品，伽利略系 统考虑将与GPS、GLONASS的导航信号一起组成复合型卫星导 航系统，因此用户接收机将是多用途、兼容性接收机。 环境段：环境段通常包括电离层、对流层、多径效应和无线电 干扰等。
Galileo系统
Galileo系统的体系结构：Galileo系统的星座可由9颗静 止卫星与21颗中轨道（MEO）卫星或者完全由30颗 MEO卫星组成。卫星重量在600公斤左右，功耗为 1.7kw系统传递的信号强度（－155dBW／m2）优于 GPS（-158dBW／m2），提高了抗干扰性。在建议的 体系结构中，主要的挑战在于定时问题，即时间同步。 Galileo将使用地面上的铯原子钟，而GPS的这些时钟是 安装在卫星上的。卫星上将配备铷钟，可以提供纳秒 级的定时精度。轨道的计算在地面上进行。
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空间、控制、用户部分的功能与输出
S eg m en t S p ace In p u t N av ig atio n M essag e F u n ctio n G en erate an d tran sm it co d e an d carrier p h ases, n av ig atio n m essag e P ro d u ct P (Y )-co d es, C /A -co d es, L 1 ,L 2 carrier, n av ig atio n m essag e P (Y )-co d e, o b serv atio n s, p ro d u ce G P S tim e, n av ig atio n tim e (U T C ) ep h em erid es, m essag e m an ag e sp ace v eh icles co d e an d carrier p h ase n av ig atio n so lu tio n , p o sitio n , o b serv atio n s, n av ig atio n relativ e p o sitio n g , v elo city, m essag e O T F, etc tim e
C o n tro l
U ser
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空间部分
Satellites -Block II/IIA/IIR/IIF Ground Antenna Master Control Station Monitor Station User Equipment
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2
三、ITS中主要关键技术专题
计算机网络、通信技术、人工智能技术（略） 传感器技术（前述） 车辆定位技术 交通地理信息系统（GIS-T） 信息融合 存储卡技术 交通仿真技术 ……
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（一）车辆定位与导航技术
智能交通系统
蔡伯根
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Tel: 51687111 Office: SY1107 Email: cbg@telecom.njtu.edu.cn bgcai@center.njtu.edu.cn
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课程内容
概论 交通控制系统基础 ITS的概念和关键技术 体系结构、研究领域 系统举例、标准化 综合智能交通系统（铁路、水运、航空）
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（2）其它卫星定位系统
GLONASS GALILEO 北斗
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GLONASS定位技术
GLObal NAvigation Satellite System(全球导航卫星系统) GLONASS的定位技术与GPS相同，即以精确的定时和卫星量程计算为基准来 进行。所需的精确定时由每颗卫星上的多个原子钟来提供。每个卫星使用两 个频率（频段）来传送。民用代码（仅在较低频率上）和军用代码均调制在 这些频率上。此外，每颗卫星都广播有关每个时刻卫星所处位置的信息。这 一点非常必要，否则只知道接收机与未知点之间的距离，而得不到有关自己 位置的信息。 GLONASS卫星发送两个伪随机噪声代码：一个代码是民用码SPS（标准定位 服务，相当于GPS中的C／A），其码率为511kbit／S；另一个代码是机密的 军用码PPS（精密定位服务，相当于GPS的P），其码率为5.11Mbit/s。码率 数值超高，定位精度也越高。GLONASS接收机的工作原理与GPS接收机大致 相当。接收机生成一份代码（此为已知），并与从卫星接收的代码比较，得 出内部代码的时间差代表卫星信号的传播时间。测量的时间乘以光速即可求 得至卫星的距离。以同样的方法测量至三颗卫星的距离可得出三维位置，另 外还需要通过测量至第四颗卫星的距离来解决接收机中的时钟问题。 GPS与GLONASS系统比较：GPS和GLONASS系统有很多相似之处，但很明显 GLONASS努力采用较少的卫星数量。对于较高的纬度，GLONASS由于具有较 高的轨道倾角而更受青睐。另外，GLONASS的码率大约为GPS的一半，若 GPS的精度不受SA的约束，GLONASS则不会有定位精度的优势。
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21
Galileo系统
伽利略计划分4个阶段逐步实施。
第一阶段是系统可行性评估或定义阶段(2000年前结束)； 第二阶段为开发和检测阶段(2001年至2005年)； 第三阶段是部署阶段(2006年至2007年)； 第四阶段为商业运行阶段(2008年以后)。 (2008 )
用户部分
地面部分
Master Control Station (Schriever AFB)
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12
差分GPS定位(DGPS)
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13
自动车辆定位系统（AVL）
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2012-4-26 北京交通大学电子信息工程学院 蔡伯根 20
GLONASS定位技术
虽然，GLONASS业己建成，但由于俄罗斯目前 的经济情况尚不能抽出财力维持它的完全运作， 所以GLONASS星座中的有效工作卫星仅有11颗 活动星(其中6、7号星工作不正常，2003年3月 止)，所以其影响较小。
2012-4-26 北京交通大学电子信息工程学院 蔡伯根 17
GLONASS定位技术
星座与信号：GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组 成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面 8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11小时15分， 轨道倾角64.8°。 与美国的GPS系统不同的是GLONASS系统采用频分多 址(FDMA)方式，根据载波频率来区分不同卫星（GPS 是码分多址（CDMA），根据调制码来区分卫星）。每 颗GLONASS卫星发播的两种载波的频率分别为 L1=1,602+0.5625k(MHz)和L2=1,246+0.4375k(MHz)， 其中k=1～24为每颗卫星的频率编号。所有GPS卫星的 载波的频率是相同，均为L1=1575.42MHz和 L2=1227.6MHz。
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GLONASS定位技术
GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪 声码：S码和P码。俄罗斯对GLONASS系统采用 了军民合用、不加密的开放政策。 GLONASS卫星由质子号运载火箭一箭三星发射 入轨，卫星采用三轴稳定体制，整量质量 1400kg，设计轨道寿命5年。所有GLONASS卫 星均使用精密铯钟作为其频率基准。第一颗 GLONASS卫星于1982年10月12日发射升空。到 目前为止，共发射了80余颗GLONASS卫星，最 近一次是2001年12月1日发射了三颗卫星。俄计 划将系统发播频率改为GPS的频率，并得到美罗 克威尔公司的技术支援。
基于卫星的定位技术（GNSS）
GPS、GLONASS、GALILEO、北斗 增强技术（DGPS、LAAS、WAAS、EGNOS）
基于无线电的定位技术 惯性导航（INS, Inertial Navigation System）、航位推 算（DR, Dead Reckoning） 地图匹配技术（MM, Map-Matching） …… LBS(Location Based Service) AVL(Automatic Vechicle Location)
2012-4-26
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5
ITS 系统中的定位功能 （续）
如果没有定位系统，ITS系统中的许多其它先进功能 是无法实现的
没有一个“完美”的定位系统适用于所有的ITS应用
2012-4-26
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6
1、基于卫星的定位技术（GNSS）
GPS GLONASS GALILEO 北斗 增强技术（DGPS、LAAS、WAAS、EGNOS）
投资300亿美元，耗时20年，于1993年6月 基本建成 是继阿波罗登月、航天飞机之后的第三大空 间工程
2012-4-26 北京交通大学电子信息工程学院 蔡伯根Fra Baidu bibliotek9
GPS概述
共有21+3颗卫星绕着地球转，它们全天候地 昼夜发送高精度的、连续的、实时的定位和 定时信息。提供给用户三维坐标、三维速度 分量和精确定时。 GPS系统由三部分组成： 空间部分 控制部分 用户部分