車輛導(dǎo)航定位仿真試驗(yàn)系統(tǒng)研究

摘要：研究車輛導(dǎo)航定位仿真算法及實(shí)現(xiàn)方法，為車輛虛擬駕駛等離線試驗(yàn)研究提供定位數(shù)據(jù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過GPS衛(wèi)星星座的運(yùn)動仿真、最佳定位星座的選取和仿真接收機(jī)的設(shè)計(jì)，將車輛運(yùn)動仿真得到的車輛位置信息轉(zhuǎn)換為GPS信號輸入到虛擬駕駛模塊，實(shí)現(xiàn)GPS車輛導(dǎo)航定位仿真實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)所輸出的虛擬定位數(shù)據(jù)能夠滿足離線試驗(yàn)對數(shù)據(jù)的要求。
關(guān)鍵詞：GPS；導(dǎo)航定位；仿真試驗(yàn)；WGS-84

    隨著信息化汽車的發(fā)展，衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)(GPS)的應(yīng)用將會迅速增加。該系統(tǒng)不僅可實(shí)時(shí)提供車輛所在位置、行駛速度和時(shí)間，還具有防盜功能，為駕駛員提供車間通訊以及最新交通信息，以便保障行駛安全和道路暢通。目前，目標(biāo)定位技術(shù)有獨(dú)立定位、地面無線電定位和GPS衛(wèi)星定位三種。獨(dú)立定位的最大缺點(diǎn)是誤差累積效應(yīng)，其定位精度會隨定位過程的進(jìn)行不斷下降；地面無線電定位受地面障礙物的干擾，產(chǎn)生的信號衰減和多徑效應(yīng)明顯，造成定位精度下降或失效；GPS定位系統(tǒng)是美國研制并建立的新一代精密星基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，具有全球地面連續(xù)覆蓋，功能多，精度高的特點(diǎn)，因此GPS技術(shù)有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿?。GPS車輛導(dǎo)航定位仿真試驗(yàn)可以模擬真實(shí)的衛(wèi)星定位，得到離線實(shí)驗(yàn)所需要的虛擬定位數(shù)據(jù)，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)、車輛虛擬駕駛的研究等具有重要的意義。

l GPS導(dǎo)航原理及其應(yīng)用
1．1 GPS導(dǎo)航原理
    GPS是由設(shè)在加州洛杉機(jī)空軍基地(AFB)的美國空軍系統(tǒng)司令部空間分部下屬的聯(lián)合計(jì)劃辦公室(JPO)負(fù)責(zé)研制的。1973年，JPO在美國國防部(DOD)的直接領(lǐng)導(dǎo)下，開始制定方案、研制、試驗(yàn)和布設(shè)一個(gè)衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)。當(dāng)今，具有定時(shí)和測距能力的導(dǎo)航系統(tǒng)(NAVSTAR)——全球定位系統(tǒng)(GPS)就是最初的系統(tǒng)方案。GPS可以看作是一種從空間位置己知的衛(wèi)星到位置未知的陸、海、空和近地空間用戶的測距系統(tǒng)。實(shí)際上，衛(wèi)星信號本身的發(fā)射時(shí)間帶有一個(gè)明確的標(biāo)志，因此采用同步工作的接收機(jī)接收該信號時(shí)便可測量出信號的傳播時(shí)間。除點(diǎn)定位外，確定載體的瞬時(shí)位置、速度和精確時(shí)間是GPS最基本的功能。GPS系統(tǒng)于1993年建成并投入使用。GPS由空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控站和用戶設(shè)備三部分組成。用戶設(shè)備主要指GPS接收機(jī)。衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是在己知衛(wèi)星在每一時(shí)刻的位置和速度的基礎(chǔ)上，以衛(wèi)星為空間基準(zhǔn)點(diǎn)，通過測站接收設(shè)備，測定至衛(wèi)星的距離或多普勒頻移等觀測量來確定測站的位置、速度。
1．2 GPS定位在車輛導(dǎo)航中的應(yīng)用
    交通運(yùn)輸領(lǐng)域一直是衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)最大的應(yīng)用市場之一。隨著汽車制造技術(shù)、現(xiàn)代化交通系統(tǒng)等的發(fā)展，基于GPS的移動目標(biāo)監(jiān)控技術(shù)逐漸成為汽車領(lǐng)域創(chuàng)新技術(shù)研究的方向之一。智能交通系統(tǒng)ITS就是這方面的具體體現(xiàn)。
    城市交通是城市現(xiàn)代化的基礎(chǔ)設(shè)施之一，如何合理地使用這一資源，提高物流車輛的營運(yùn)能力和安全防范能力，減少交通阻塞和事故是城市建設(shè)現(xiàn)代化的一個(gè)重要標(biāo)志，物流車輛調(diào)度系統(tǒng)就是為完成這一目標(biāo)而設(shè)計(jì)的。該系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、集群通信技術(shù)和信號處理技術(shù)等，可對運(yùn)行的物流車輛進(jìn)行統(tǒng)一管理，向用戶提供各種優(yōu)質(zhì)服務(wù)，并對物流車輛進(jìn)行科學(xué)管理和監(jiān)控。另外，網(wǎng)內(nèi)物流車輛遇到險(xiǎn)情可隨時(shí)向中心報(bào)警。這一系統(tǒng)的建設(shè)，在社會上產(chǎn)生了積極的反響，使城市的交通管理現(xiàn)代化再上新臺階。GPS定位監(jiān)控管理系統(tǒng)可向公安110出警巡邏車輛提供切實(shí)可行的調(diào)度監(jiān)控管理方案，大大提高了公安處警能力，實(shí)現(xiàn)了從前靜態(tài)處警向動態(tài)處警的飛躍。
    基于GPS的車輛定位和監(jiān)控系統(tǒng)在公交車、出租車、物流、郵政快遞以及私家車的監(jiān)控管理方面有一定的實(shí)用價(jià)值，它為加強(qiáng)對車輛的管理，有效防止和打擊車輛犯罪提供了一種可行的解決方案。

2 GPS仿真試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要核心包括衛(wèi)星位置的計(jì)算、可見星的判斷、最佳定位衛(wèi)星選擇、誤差計(jì)算和定位解的計(jì)算等。
2．1 衛(wèi)星位置的計(jì)算
    GPS仿真系統(tǒng)不需要接收來自導(dǎo)航衛(wèi)星的真實(shí)信號，取而代之的是通過已知衛(wèi)星運(yùn)動方程計(jì)算任一歷元衛(wèi)星坐標(biāo)，從而確定衛(wèi)星在車輛上空的分布情況，作為推算車輛位置的數(shù)據(jù)源。
    在仿真中，僅考慮地球引力對衛(wèi)星的作用，而且還假設(shè)地球是一個(gè)質(zhì)量均勻分布的球體，其質(zhì)量集中于地球中心。該文在數(shù)據(jù)處理中沒有考慮衛(wèi)星在各時(shí)刻的攝動變化量，所以不能仿真高精度的軌道數(shù)據(jù)。但是為反映衛(wèi)星的運(yùn)動狀態(tài)，使用電文中的歷書數(shù)據(jù)作為計(jì)算的初始值，該仿真精度是足夠的。圖1是以UTC(US—NO)1993年7月1日O時(shí)的歷元時(shí)間為基準(zhǔn)，用平面投影表示的衛(wèi)星軌道。采用圖1所示時(shí)刻的衛(wèi)星參數(shù)為仿真起點(diǎn)，利用Matlab的數(shù)據(jù)處理及仿真功能，通過編程可以實(shí)現(xiàn)對GPS星座運(yùn)行的實(shí)時(shí)解算。建模過程中，衛(wèi)星橢圓軌道的長半軸α取26 560 km，橢圓偏心率e取0．02。從圖中可以形象地看出GPS衛(wèi)星星座的空間分布及運(yùn)動情況。
    根據(jù)圖1所示的GPS衛(wèi)星系統(tǒng)初始數(shù)據(jù)，可得到2008年4月1日10：00：00時(shí)刻的衛(wèi)星在WGS一84坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，見表1。

2．2 可見星判斷
    衛(wèi)星在空間運(yùn)行時(shí)，并不是所有的衛(wèi)星對用戶都是可見得。通過可見星的快速判斷，可以有效限定可視衛(wèi)星的數(shù)目，從而縮小了衛(wèi)星組合的遍歷空問。在分析過程中除了考慮地球的影響外，還必須考慮到地面上建筑物或其他物體對信號產(chǎn)生的遮擋。另外，衛(wèi)星仰角過低，產(chǎn)生的大氣層延遲和多徑問題的可能性較大，因此還必須引入遮蔽角。遮蔽角一般介于取最常用的5°～10° 。仰角的計(jì)算公式為：

   
式中：R為地球的半徑；H為衛(wèi)星距離地面的垂直高度；φp，Lp分別為接收點(diǎn)的經(jīng)緯度；φs為衛(wèi)星的經(jīng)度。設(shè)定E=7°，則在經(jīng)度117°10'34"，緯度36°42'47"和高程10 m處，可見星及其坐標(biāo)如表2所示。

2．3 最佳定位星座的選取
    人們利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí)，用戶與衛(wèi)星的相對位置是影響其性能的因素之一。如何選用定位星座，通常利用幾何精度因子GDOP來確定，即定位星座是由使GDOP值最小的GPS衛(wèi)星組成的。
    由衛(wèi)星對地球和地面目標(biāo)的覆蓋特性可知，頂座星仰角越大，GDOP越小。所以最佳星座中必然包括仰角最大的那顆衛(wèi)星。從以上分析可知，在選擇最佳星座時(shí)，首先選取仰角最大的1顆衛(wèi)星，然后從其他可見衛(wèi)星中再任選3顆，共同計(jì)算4顆星組成衛(wèi)星星座的幾何精度因子值GDOP。如此反復(fù)計(jì)算，最后將各幾何精度因子GDOP排序求得最小值，最小GDOP值對應(yīng)的4顆星就是最佳星座的衛(wèi)星組合。
    衛(wèi)星星座GDOP的計(jì)算模型主要是以星座的狀態(tài)矩陣為依據(jù)。這里采用最常用的方向余弦法。設(shè)α，β，γ分別為測量點(diǎn)到衛(wèi)星的斜距與X，y，Z軸的夾角。令：

   
     利用星座矩陣，計(jì)算GDOP如下：

   
    通過最佳定位星座的選取，得到定位精度最高的4顆衛(wèi)星為2-9-16-17，其GDOP(幾何定位因子)值為5．112 8；PDOP(位置精度幾何因子)值為4．986 4；HDoP(平面位置精度幾何因子)值為4．368 1；VDOP(垂直位置精度幾何因子)值為2．405 0；TDOP(時(shí)間精度幾何因子)值為1．129 8。
2．4 誤差計(jì)算
    GPS定位是通過地面接收設(shè)備接收衛(wèi)星傳送的信息確定地面點(diǎn)的位置，所以其誤差主要來源于GPS衛(wèi)星、衛(wèi)星信號的傳播過程和地面的接收設(shè)備。此外，在高精度的GPS定位中，與地球整體運(yùn)動有關(guān)的地球潮汐、負(fù)荷潮及相對論效應(yīng)等的影響，也是導(dǎo)致其誤差的不可忽視的原因。
    為了便于理解，通常將各種誤差的影響投影到觀測站至衛(wèi)星的距離上，以相應(yīng)的距離誤差來表示，稱之為等效偽距誤差。表3列出了GPS定位的誤差類型及等效偽距誤差。

    所述的各種定位誤差源，在仿真過程中，為模擬車輛真實(shí)的行駛過程，需在計(jì)算中加入特定的誤差。各種誤差對定位精度的影響是不同的，仿真時(shí)不能精確加以區(qū)別，考慮到其綜合的情況，以最大的定位誤差來模擬。
2．5 定位求解
    定位求解公式如下：

   
式中：R的確定參見參考文獻(xiàn)[4]；[Xs，Ys，Zs]為衛(wèi)星瞬時(shí)地心坐標(biāo)；[Xp，Yp，Zp]為車輛地心坐標(biāo)。
    定位車輛在wGS一84坐標(biāo)系中的位置為一2 429．8 lim(X方向坐標(biāo))，4 569．8 km(y方向坐標(biāo))，3 760．7 km(Z方向坐標(biāo))。

3 仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程
    GPS衛(wèi)星星座仿真部分將所有衛(wèi)星在wGS一84中的三維坐標(biāo)實(shí)時(shí)輸入到可見星判斷部分，通過可見星判斷得到觀測點(diǎn)上空的可見衛(wèi)星，并將其三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸入到最佳定位星座選擇仿真部分，該部分根據(jù)最佳定位星座選擇方法得到由可見星中4顆組成的最佳定位星座，并將其坐標(biāo)輸入到車輛定位仿真部分，車輛定位仿真部分根據(jù)最佳定位星座的三維坐標(biāo)信息解算出車輛的三維坐標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)車輛經(jīng)緯度的確定，為車輛的定位及導(dǎo)航提供仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4 仿真結(jié)果分析
    該仿真器模型在Matlab環(huán)境下進(jìn)行建模，得到車輛定位的相關(guān)信息如表4～表6所示。

    從仿真結(jié)果來看，在衛(wèi)星歷書基礎(chǔ)上，通過對定位誤差的引入和車輛位置的計(jì)算得到了車輛導(dǎo)航定位系統(tǒng)的所有仿真數(shù)據(jù)。通常情況下，規(guī)定PDOP的值不能大于6。由表5可知，幾何精度因子數(shù)值合理，從而保證了定位數(shù)據(jù)的合理。該系統(tǒng)所輸出的所有虛擬定位數(shù)據(jù)都能夠滿足車輛導(dǎo)航定位仿真試驗(yàn)對數(shù)據(jù)的需求。

5 結(jié) 語
    GPS是一種先進(jìn)的全球定位方法，正廣泛應(yīng)用于車輛定位與導(dǎo)航。該文根據(jù)衛(wèi)星歷書，分析GPs星座的運(yùn)動軌跡，并在此基礎(chǔ)上對接收機(jī)的位置進(jìn)行解算，得到仿真的車輛GPS導(dǎo)航系統(tǒng)定位信息，實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航的仿真試驗(yàn)。該車輛定位模型可以模擬真實(shí)的衛(wèi)星定位，為仿真調(diào)試、虛擬駕駛等研究帶來便利。