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13-05-30

车载GPS定位系统

车载GPS定位系统

目录

车载GPS定位系统简介
车载GPS定位系统功能
GPS定位系统
车载GPS原理
相关术语概念
车载GPS定位系统的误差展开

车载GPS定位系统简介

GPS 是英文Global Positioning System(全球定位系统)的简称。当通过硬件和软件做成GPS定位系统终端用于车辆定位的时候,称为车载GPS定位系统。但光有定位还不行,还要把这个定位信息传到报警中心或者车载GPS定位系统持有人那里,我们称为第三方。所以GPS定位系统中还包含了GSM网络通讯(手机通讯)。通过GSM网络用短信的方式把卫星定位信息发送到第三方,通过微机解读短信电文,在电子地图上显示车辆位置,这样就实现了车载GPS定位系统。?车载gps;与此同时,在车上安装相应的探测传感器,利用车载GPS定位的GSM网络通讯功能,同样能把防盗报警信息发送到第三方,或者把这个报警电话、短信直接发送到车主手机上,完成车载GPS防盗报警。这里可以看出,车载GPS定位的GSM网络部分实际上是一个智能手机,可以和第三方互相通讯,还可以把车辆被抢,司机被劫、被绑架等信息发送到第三方, 所以说车载GPS定位是定位、防盗、防劫的。

类似车载GPS终端的还有定位手机、个人定位器等。

车载GPS定位系统功能

车辆跟踪功能
利用GPS和电子d地图可以实时显示出车辆的实际位置,并可任意放大、缩小、还原、换图;可以随目标移动,使目标始终保持在屏幕上;还可实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪。利用该功能可对重要车辆和货物进行跟踪运输。
出行路线规划和导航功能
提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要的辅助功能,它包括自动线路规划和人工线路设计。自动线路规划是由驾驶者确定起点和目的地,由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线,包括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的路线的计算。人工线路设计是由驾驶员根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等,自动建立路线库。线路规划完毕后,显示器能够在电子地图上显示设计路线,并同时显示汽车运行路径和运行方法。
信息查询功能
为用户提供zc主要物标、如旅游景点、宾馆、医院等数据库,用户能够在电子地图上显示其位置。同时,监测中心可以利用监测控制台对区域内的任意目标所在位置进行查询,车辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图上显示出来。
话务指挥功能
指挥中心可以监测区域内车辆运行状况,对被监控车辆进行合理调度。指挥中心也可随时与被跟踪目标通话,实行管理。
紧急援助功能
通过GPS定位和监控管理系统可以对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急援助。监控台的电子地图显示求助信息和报警目标,规划最优援助方案,并以报警声光提醒值班人员进行应急处理。

GPS定位系统

分类
GPS卫星接收机种类很多,根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型;根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。

用途
经过20余年的实践证明,GPS系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。 GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。
GPS除了用于导航、定位、测量外,由于GPS系统的空间卫星上载有的精确时钟可以发布时间和频率信息,因此,以空间卫星上的精确时钟为基础,在地面监测站的监控下,传送精确时间和频率是GPS的另一重要应用,应用该功能可进行精确时间或频率的控制,可为许多工程实验服务。此外,还可利用GPS获得气象数据,为某些实验和工程应用。

其它应用
全球卫星定位系统GPS是今年以来开发的最具有开创意义的高新技术之一,其全球性、全能性、全天侯性的导航定位、定时、测速优势必然会在诸多领域中得到越来越广泛的应用。在发达国家,GPS技术已经开始应用于交通运输和交通工程。目前,GPS技术在中国道路工程和交通管理中的应用还刚刚起步,随着中国经济的发展,高等级公路的快速修建和GPS技术的应用研究的逐步深入,其在道路工程中的应用也会更加广泛和深入,并发挥更大的作用。
GPS还可应用在物联网及云计算方面!

数据接口格式
这得细谈谈,GPS可以输出实时定位数据,让其他的设备使用,这就牵扯到了数据交换协议。几乎现在所有的GPS接收机都遵循美国国家海洋电子协会(National Marine Electronics Association)所指定的标准规格,这一标准制订所有航海电子仪器间的通讯标准,其中包含传输资料的格式以及传输资料的通讯协议。NMEA协议有0180、0182和0183三种,0183可以认为是前两种的超集,现在正广泛的使用,0183有几个版本,V1.5 V2.1。所以,如果大家的GPS接收机如果要联上笔记本里通用的GPS导航程序,比如OZIEXPLORER和俺的GPSRECEIVER,就应该选择NEMA V2.0以上的协议。NMEA规定的通讯速度是4800 b/S。现在有些接收机也可以提供更高的速度,但说实话,没有什么用,4800就足够了。

车载GPS原理

概述
GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的,卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间,再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰,这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离,而是伪距(PR):当GPS卫星正常工作时,会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码(简称伪码)发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种,分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒,码间距1微秒,相当于300m;P码频率10.23MHz,重复周期266.4天,码间距0.1微秒,相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的,保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来,以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码;每三十秒重复一次,每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块,其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时,提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离,再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置,用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而,由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步,所以除了用户的三维坐标x、y、z外,还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数,然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置,至少要能接收到4个卫星的信号。

GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息;用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历;用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历,精度为几米至几十米(各个卫星不同,随时变化);以及GPS系统信息,如卫星状况等。

GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离,由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差,故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距,精度约为20米左右,对P码测得的伪距称为P码伪距,精度约为2米左右。

GPS接收机对收到的卫星信号,进行解码或采用其它技术,将调制在载波上的信息去掉后,就可以恢复载波。严格而言,载波相位应被称为载波拍频相位,它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测,保持对卫星信号的跟踪,就可记录下相位的变化值,但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的,起始历元的相位整数也是不知道的,即整周模糊度,只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米,但前提是解出整周模糊度,因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值,而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值。

按定位方式,GPS定位分为单点定位和相对定位(差分定位)。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式,它只能采用伪距观测量,可用于车船等的概略导航定位。相对定位(差分定位)是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法,它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量,大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。

在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差,在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响,在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱,因此定位精度将大大提高,双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分,在精度要求高,接收机间距离较远时(大气有明显差别),应选用双频接收机。
理论模型
GPS定位的基本原理是根据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,确定待测点的位置。如图所示,假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机,可以测定GPS信号到达接收机的时间(三角符号) t,再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式:
上述四个方程式中待测点坐标x、 y、 z 和Vto为未知参数,其中di=c(三角符号)ti (i=1、2、3、4)。
di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。
(三角符号) ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。
c为GPS信号的传播速度(即光速)。

四个方程式中各个参数意义如下:
x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。
xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标,
可由卫星导航电文求得。
Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差,由卫星星历提供。
Vto为接收机的钟差。
由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差Vto 。

相关术语概念


GPS的信号
GPS卫星发射两种频率的载波信号,即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60Mhz的L2载波,它们的频率分别是基本频率10.23MHz的154倍和120倍,它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分别调制着多种信号,这些信号主要有:
C/A
C/A码又被称为粗捕获码,它被调制在L1载波上,是1MHz的伪随机噪声码(PRN码),其码长为1023位(周期为1ms)。由于每颗卫星的C/A码都不一样,因此,我们经常用它们的PRN号来区分它们。C/A码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。
P
P码又被称为精码,它被调制在L1和L2载波上,是10MHz的伪随机噪声码,其周期为七天。在实施AS时,P码与W码进行模二相加生成保密的Y码,此时,一般用户无法利用P码来进行导航定位。
Y
见P码。

导航信息
导航信息被调制在L1载波上,其信号频率为50Hz,包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置,导航信息也被称为广播星历。
SPS和PPS是GPS系统针对不同用户提供两种不同类型的服务。一种是标准定位服务(SPSStandard Positioning Service),另一种是精密定位服务(PPSPrecision Positioning Service)。这两种不同类型的服务分别由两种不同的子系统提供,标准定位服务由标准定位子系统(SPSStandard Positioning System)提供,精密定位服务则由精密定位子系统(PPSPrecision Positioning System)提供。
SPS主要面向全世界的民用用户。 PPS主要面向美国及其盟国的军事部门以及民用的特许用户。
在GPS定位中,经常采用下列观测值中的一种或几种进行数据处理,以确定出待定点的坐标或待定点之间的基线向量:
L1载波相位观测值
L2载波相位观测值(半波或全波)
调制在L1上的C/A码伪距
调制在L1上的P码伪距
调制在L2上的P码伪距
L1上的多普勒频移
L2上的多普勒频移
实际上,在进行GPS定位时,除了大量地使用上面的观测值进行数据处理以外,还经常使用由上面的观测值通过某些组合而形成的一些特殊观测值,如宽巷观测值(Wide-Lane)、窄巷观测值(Narrow-Lane)、消除电离层延迟的观测值(Ion-Free)来进行数据处理。

车载GPS定位系统的误差

我们在利用GPS进行定位时,会受到各种各样因素的影响。与GPS卫星有关的影响GPS定位精度的因素可分为以下四大类:
SA
美国政府从其国家利益出发,通过降低广播星历精度( 技术)、在GPS基准信号中加入高频抖动( 技术)等方法,人为降低普通用户利用GPS进行导航定位时的精度。

卫星星历误差
在进行GPS定位时,计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历[7]提供的,但不论采用哪种类型的星历,所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异,这就是所谓的星历误差。

卫星钟差
卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差。
卫星信号发射天线相位中心偏差
卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。

 

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