基于gps公交站台自动报站系统的研究(编辑修改稿)

基于gps公交站台自动报站系统的研究(编辑修改稿)内容摘要：

经过的时间，求解用户的三维运动速度。 以上定位原理说明，用 GPS技术可以同时实现三维定位与接收机时间的定时。 一般来说 ，利用 C/A码进行实时绝对定位，各坐标分量精度在 5l0m左右，三维综合精度在 1530m左右。 利用军用 P码进行实时绝对定位，各坐标分量精度在 13m左右，三维综合精度在 36m左右。 利用相位观测值进行绝对定位技术比较复杂，目前其实时或准实时各坐标分量的精度在 ，事后 24小时连续定位三维精度可达 23cm左右。 在导航型 GPS接收机中，多采用伪距定位法。 本系统设计时车辆定位精度为 l0m。 毕业论文 10 GPS卫星定位的主要误差来源 一般来说，产生 GPS卫星定位的主要误差按其来源可以分为以下三类 : 与卫星相关的误差 轨道误差 :目前实时广播星历的轨道三维综合误差可达 1020m 卫星钟差 :由广播星历的钟差方程计算出来的卫星钟误差一般可达 1020ns,引起等效距离误差小于 6m 卫星几何中心与相位中心偏差 :可以事先确定 与接收机相关的误差 接收机安置误差 :先确定即接收机相位中心与待测物体目标中心的偏差，一般可事先确定。 接收机时钟差 :接收机时钟与标准的 GPS系统时间之差，一般可达 65 1010   秒。 接收机信道误差 :信号经过处理信道时引起的延时和附加的噪声误差。 多路径误差 :接收机周围环境产生信号的反射，构成同一信号的多个路径入射天线相位中心，可以采用抑径板等方法减弱其影响。 观测量误差 :C/A码伪距偶然误差，约为 13m, P码伪距偶然误差，约为 ，相位观测值的等效距离误差，约为 2mm。 与大气传输有关的误差 501000km的高空大气被太阳高能粒子轰击后电离，即产生大量自由电子，使 GPS信号产生传播延迟，一般白天强 夜晚弱，可导致载波天顶方向最大 50m左右的延迟量，误差与信号载波频率有关，故可用双频或多频率信号予以显著减弱。 由于含水汽和干燥空气的大气介质中传播引起的信号传播延时，其影响随卫星高度角、时间季节和地理位置的变化而变化，与信号频率无关，不能用双频载波予以消除，但可用模型削弱。 人们想了很多办法来削弱和消除上述各种误差的影响，比如，针对实时广播星历提供的卫星坐标精度不高的问题，国际上的 GPS服务机构 IGS提供了事后的 GPS卫星的精密星历，其轨道坐标精度达 35cm。 同时也提供卫星钟差、 电离层延迟的精密事后修正数据，利用这些数据，人们可以进行多种精密定位和定时。 GPS能够以不同的定位定时精度提供服务，从亚毫米、毫米到厘米、分米、亚米及米和十几米的定位精度都有可供选择的定位方法。 定时方毕业论文 11 面可从亚纳秒、纳秒到微秒级的精度实现时间测量和不同目标间时间同步。 在定位的时间响应方面可以从 、 1秒到十几秒、几分、几个小时或几天来实现不同的实时性要求和精确性要求。 从相对定位距离方面看，可从几米一直到几千公里之间，实现连续的静态和动态定位要求。 从工作环境上看，除了怕被森林、高楼遮挡信号造成可见卫星少 于四颗和强电离层爆发造成 GPS测距信号完全失真外，可以说是全球全连续和全天候的。 这些优良的特性，使得它有广泛应用领域。 GPS数据丢失的补偿方案 以上分析了 GPS的基本原理，缩小误差的方法，可是 GPS依赖于地理环境，当在高楼大厦遮挡， GPS信号会发生丢失的现象，在它的盲区需要及时进行补偿，首先分析盲区产生的原因和对系统产生的影响，根据不同种类的 GPS信号丢失对系统影响的不同采取不同的补偿措施。 GPS数据丢失原因 车辆在运行过程中，不可避免地会产生 GPS数据丢失的现象，导致这种数据丢失主 要有以下几个原因。 GPS定位技术要求 GPS接收机所在的位置具备一些基本的定位条件 :至少接收到 4颗 GPS卫星的信号， GPS卫星的分布 (星座 )具有一定的几何形状限制，彼此之间应具有一定的夹角。 而车辆在城市中行驶将不可避免地受到密集的高楼大厦、树木、高架桥、隧道的遮挡，特别是在某些枢纽式的总站，由于具有顶棚， GPS信号可能被完全屏蔽，从而破坏 GPS定位技术要求的定位条件。 这种原因造成的数据丢失的特点是具有很强的地理位置相关性。 GPS定位信息 依赖于无线通信网络传输到监控调度中心。 任何一种无线通信网络都不能保证数据 100%的准确无误传输。 根据实际情况，可能存在以下三种原因的通信链路故障 : IP包。 其中第一种通信故障在时间上和地理位置上都不具备相关性。 第二种存在时间上的若干相关性。 第三种与地理位置有很强的相关性。 毕业论文 12 由于车载终端自身的硬件故障 (例如天线开路、供电等问题 )造成的定位失效或通信失效导致 GPS数据的丢失 ,通常在发生时间和发 生地点上没有规律。 GPS数据丢失无论源于哪种原因，其对系统的影响按持续时间和发生的地理位置不同而有所不同。 GPS数据丢失的持续时间，可以大致分为短时间、中等时间和长时间三种。 （ 1）短期丢失 :GPS数据丢失的时间在 1分钟以内，通常由于 IP包丢失或被高楼短时间遮 挡。 （ 2）中期丢失 :GPS数据丢失时间大于 1分钟而小于公交车的一个单程时间 (通常为 40分钟 90分钟 )。 （ 3）长期丢失 :GPS数据丢失时间大于公交车的一个单程时间。 GPS数据丢失发生的地理位置分为敏感区域和不 敏感区域 敏感区域 : （ 1）公交总站附近 :GPS数据在公交总站附近丢失如果超过该车辆的停站时间，则将造成行车记录的错误。 （ 2）电子站牌附近 :GPS数据在电子站牌附近的丢失将导致电子站牌到站预报和离站预 报的直观错误。 （ 3）停车场 、修配厂、加油站附近。 GPS数据在停车场、修配厂、加油站附近丢失将导致系统对车辆营运状态作出错误判断。 不敏感区域 : GPS数据在其他位置的非长期丢失对系统影响较轻，仅影响车辆的实时监控，但中长期丢失可能会对调度策略产生影响。 GPS数据丢失补偿方案 当 GPS数据发 生丢失时，为了保证公交系统还能正常的进行全方面服务，可以采用一些措施来进行补偿。 本论文分别研究出了硬件与软件补偿的方案。 硬件补偿主要针对硬件来实现补偿，使公交车辆还能正常的进行运营，硬件补偿方法有如下几种 : （ 1）车载终端设置若干运行状态按键，由驾驶员在执行每项任务 (如上行、下行、加油、保修、报站、边出站 )时按相应的按键，也即传统的手工按键报站方式。 （ 2）车载终端的通信模块在数据通道发生问题时，启用备用的数据通道 (例如 SMS)。 （ 3）车载终端具有断线重拨功能，能在断线后以最 短的时间恢复连接。 采用无线通信毕业论文 13 方式经实际测试其重拨一次成功率达到 90%以上。 （ 4）车载终端在具有滚动存储至少 1个运营日的定位数据的能力。 当通信中断时，数据自动存储，一旦通信恢复，可将存储的数据以压缩的方式成批上传至监控调度中心。 当 GPS数据发生丢失时，系统能获得关于丢失的两个基本信息 : 系统根据这两个参数判断数据丢失对系统影响的严重程度，从而分级别地采取响应的措施进行补偿，其处理的一般流程如图 22所示。 硬 件 补 偿发 生 丢 失敏 感 区 域预 测 内 插中 期 丢 失继 续 内 插 ， 等待 补 传长 期 丢 失转 入 正 常 运 行获 得 补 传停 止 内 插 ， 报故 障 ， 等 待 补传否否否否否否否否否 图 22 软件补偿方案选择的一般流程 毕业论文 14 预测内插的算法是基于数据丢失点的位置和历史数据 (车辆在 1天中相同时段在相同路段的经验速度等 )进行的，算法的描述如下： 经验速度 为在丢失定位数据的情况下预测车辆的位置，先分析车辆在该路段的速度，而这一速度通常在路段上是连续变化的。 为此在路段上设置采样点。 这些采样点并不是均匀分布的，而是按照道路 交通状况特点相同的路段归结为一个采样段，以不同车辆在每天同一时刻经过该采样段的最大似然速度作为“经验速度”，由于车辆在每天同一时刻经过特定采样段的速度并非正态分布，而倾向于泊松分布，故经验速度并非简单的算术平均速度，而应计算大量车辆按某一特定概率 (例如 95%)的最大似然速度。 如图 2一 3所示。 图 23 经验速度 经验速度的获得是一个动态的不断进行的过程。 系统会在整个运行生命周期中根据实际运行中产生的数据不断更新各采样段的经验速度。 经验速度分布 既然经验速度是大量车辆在每日同一时刻经过同一采样段的最大似然速度，其必然在 1天的时间内在不同的采样段具有某种分布。 下面建立一张三维的图，其 X轴为时间， Y轴为沿线路连续排列的不同的采样段， Z轴为各采样段的经验速度。 如图 24所示。 毕业论文 15 图 24 经验速度沿采样段和时间的分布 由图中可以看出，不同的采样段在高峰时段前后有着较低的经验速度 (高峰期车流缓慢 )，车速低峰到来的时间不尽相同，相邻采样段具有某种时间上的继承性等特点。 位置预测 根据经验速度的分布，系 统可以在丢失车载终端定位数据时 (例如在 20秒以上时间内没有收到同一车辆的定位数据 )，在一定的时间范围内 (例如一个单程时间内，车辆到达线路终点站之前 )，根据车辆最近一次定位数据和沿线的经验速度，预测车辆的当前位置，从而实现 GPS定位数据的内插。 从上面的处理方法描述中可以看出，补偿方法预报数据的误差主要来源于以下一些因素 : （ 1）预先计算的采样点间隔。 （ 2）经验速度的计算及其分布。 （ 3）预测持续的时间。 经验速度的计算和分布由长期历史数据获得，存在一个机器学习的过程。 对于系统的实时处理而言，影响误差大小的最 直接因素是采用预测算法的持续时间。 当预测点与计算的基点在时间上间隔越长时，预测结果就变得越不可信。 因此本方案中，当预测持续的时间超过数据丢失点到前方总站的行驶时间 (通常小于单程时间 )时，即停止使用预测算法，转而依赖数据的补传，或采用传统的人工服务，并采取相应的维护措施，检查是否由于网络原因或设备故障造成数据丢失。 小结 本章主要介绍 GPS的基础知识，包括定位概念、分类、定位原理、基本组成和 GPS的应用等，论述了 GPS在定位时的优劣势，对 GPS定位误差进行了一定的分析，设计了当 GPS发生丢失时的补偿方 案。 毕业论文 16 第三章智能公交服务系统车载终端的硬件设计 车载终端的概述 车载终端 (MDT)是安装在受控车辆上，负责信息采集、信息传送、信息处理、信息接收和车内控制的设备。 车载终端是整个公交系统关键的数据来源和执行手段之一，在整个系统中起着举足轻重的作用，其工作状况和功能、性能直接影响到整个系统的运行，是智能公交服务系统中的关键设备。 它的硬件主要包括 :电源模块或电源接入模块，单片机 CPU，辅助存储芯片， GPRS通信模块， GPS定位模块 LCD显示模块， LED显示模块，串口扩展芯片和串口，键盘，语音模块，麦克 风电路。 如下图 31为车载终端总体框图 : 图 31车载终端总体框图 系统设备的选择与功能 单片机 CPU是整个车载终端的核心部分，通过各种接口与其它设备连接，写入一定的程序，负责处理各种事件，比如调度中心发来的调度信息， GPS接收机得来的定位信息处理等等，使整个系统得到正常的运行。 根据单片机电路设计简单，面向控制的功能强等特点，综合了系统总体设计和上述情况，考虑到系统的最终维护，应该选择主流产品。 目前市场上单片机的生产厂商很多，其中 51系列单片 机的应用比较广泛，并且其开发手段也比较简单，是工业检测、控制领域中的最理想的 8位单片机。 51系列产品中主要包括 8031， 8051， 87051. 单片机CPU CPU 存储器 LED LCD 键盘 GPS 电源 语音 GPRS 话 筒麦克风 毕业论文 17 89058等。 单片机的选择 采用 W77E58是一个很好的选择， W77E58是一个快速 8051兼容微控制器。 它的内核经过重新设计，提高了时钟速度和存储器访问周期速度。 经过这种改进以后，在相同的时钟频率下，它的指令执行速度比标准 8051要快许多。 一般来说，按照指令的类型， W77E58的指令执行速度是标准 8051的。 整体来看， W77E58的速度比标准的 8051快。 在相同的吞吐量及低频时钟情况下，电源消耗也降低。 由于采用全静态 CMOS设计， W77E58能够在低时钟频率下运行。 W77E58内含 32KB Flash EPROM，工作电压为 ，具有 1KB片上外部数据存储器，当用户应用时使用片上 SRAM代替外部 SRAM，可节省更多 I/O口。 其主要特性 : （ 1） 8位 CMOS微控制器 （ 2）每 4个时钟周期为一个机器周期的高速结构，最大外部时钟频率为 40MHZ （ 3）与标准 80C52管脚兼容 （ 4）指令与 MCS51兼容 （ 5） 4个 8位 I/O口 （ 6）一个附加的 4位 I/O口和等待状态控制信号 (仅限 44脚 PLCC/QFP封装 ) （ 7） 3个 16位定时 /计数器 （ 8） 12个中断源， 2级中断能力 （ 9）片上振荡器及时钟电路 （ 10）二个增强型全双工串行口 （ 11） 32KB Flash EPROM （ 12） 256字节片内暂存 RAM （ 13）片内 1KB外部数据存储器 （ 14）可编程看门狗定时器 （ 15）软件复位 （ 16） 2个 16位数据指针 （ 17）对外部 RAM及外设的访问周期可以进行软件编程 显示模块 车载终端一个最主要的功能是为乘客报站，自动报 站包括语音报站， LED和 LCD显示来报站。 用多个 LCD显示屏为驾驶员显示时间，调度等重要信息，它主要的模块由显示模块与语音模块组成。 另外要存储器，微处理器的支持。 下面分别介绍 LCD显示屏与 LED显示屏。 毕业论文 18 LCD显示屏 车载 LCD电子显示屏主要是以最优的方式显示给驾驶员看的，车载终端所获取的实时数据以文字或图形的方式显示在车载机的显示屏幕上。 数据按其性质和用途分为不同的组。 第一种为时间画面图 32。 图中，车辆状态指车辆上行、下行、包车、班车、快车、加油等状态。