車輛導航定位仿真試驗系統研究

李士明　曹　凱

摘 要：研究車輛導航定位仿真算法及實現方法，為車輛虛擬駕駛等離線試驗研究提供定位數據具有重要的現實意義。通過GPS衛星星座的運動仿真、最佳定位星座的選取和仿真接收機的設計，將車輛運動仿真得到的車輛位置信息轉換為GPS信號輸入到虛擬駕駛模塊，實現GPS車輛導航定位仿真實驗。該系統所輸出的虛擬定位數據能夠滿足離線試驗對數據的要求。

關鍵詞：GPS；導航定位；仿真試驗；WGS-84

中圖分類號：TP391.9文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2009)05-191-04

Research on Vehicle Navigation and Positioning Simulation

LI Shiming,CAO Kai

(Department of Transportation and Automobile Engineering,Shandong University of Technology,Zibo,255091,China)

Abstract：An important practical significance in providing positioning data for off-line study such as virtual driving by researching the simulation algorithm and implementing method in vehicle navigation and position. Through the simulation of satellite movement,the choice of best positioning satellite and the design of GPS receiver,the locations information of vehicle can be converted into the GPS signal to input to the module of virtual driving so as to realize the experiments of the GPS vehicle positioning simulation. The obtained virtual positioning data can meet the demand of off-line study.

Keywords：GPS;navigation positioning;simulation experiment;WGS-84

隨著信息化汽車的發展，衛星全球定位系統(GPS)的應用將會迅速增加。該系統不僅可實時提供車輛所在位置、行駛速度和時間，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,目標定位技術有獨立定位、地面無線電定位和GPS衛星定位三種。獨立定位的最大缺點是誤差累積效應，其定位精度會隨定位過程的進行不斷下降；地面無線電定位受地面障礙物的干擾，產生的信號衰減和多徑效應明顯，造成定位精度下降或失效；GPS定位系統是美國研制并建立的新一代精密星基無線電導航系統，具有全球地面連續覆蓋，功能多，精度高的特點［1］，因此GPS技術有廣泛的應用價值和發展潛力。GPS車輛導航定位仿真試驗可以模擬真實的衛星定位，得到離線實驗所需

要的虛擬定位數據，對實驗教學、車輛虛擬駕駛的研究等具有重要的意義。

1 GPS導航原理及其應用

1.1 GPS導航原理

GPS是由設在加州洛杉機空軍基地(AFB)的美國空軍系統司令部空間分部下屬的聯合計劃辦公室(JPO)負責研制的。1973年，JPO在美國國防部(DOD)的直接領導下，開始制定方案、研制、試驗和布設一個衛星全球定位系統。當今，具有定時和測距能力的導航系統(NAVSTAR)——全球定位系統(GPS)就是最初的系統方案。GPS可以看作是一種從空間位置己知的衛星到位置未知的陸、海、空和近地空間用戶的測距系統。實際上，衛星信號本身的發射時間帶有一個明確的標志，因此采用同步工作的接收機接收該信號時便可測量出信號的傳播時間。除點定位外，確定載體的瞬時位置、速度和精確時間是GPS最基本的功能。

GPS系統于1993年建成并投入使用。GPS由空間衛星星座、地面監控站和用戶設備三部分組成。用戶設備主要指GPS接收機。衛星導航定位系統是在己知衛星在每一時刻的位置和速度的基礎上，以衛星為空間基準點，通過測站接收設備，測定至衛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定位在車輛導航中的應用

交通運輸領域一直是衛星導航定位系統最大的應用市場之一。隨著汽車制造技術、現代化交通系統等的發展，基于GPS的移動目標監控技術逐漸成為汽車領域創新技術研究的方向之一。智能交通系統ITS就是這方面的具體體現［2］。

城市交通是城市現代化的基礎設施之一，如何合理地使用這一資源，提高物流車輛的營運能力和安全防范能力，減少交通阻塞和事故是城市建設現代化的一個重要標志，物流車輛調度系統就是為完成這一目標而設計的。該系統采用計算機技術、集群通信技術和信號處理技術等，可對運行的物流車輛進行統一管理，向用戶提供各種優質服務,并對物流車輛進行科學管理和監控。另外，網內物流車輛遇到險情可隨時向中心報警。這一系統的建設，在社會上產生了積極的反響，使城市的交通管理現代化再上新臺階。GPS定位監控管理系統可向公安110出警巡邏車輛提供切實可行的調度監控管理方案，大大提高了公安處警能力，實現了從前靜態處警向動態處警的飛躍。

基于GPS的車輛定位和監控系統在公交車、出租車、物流、郵政快遞以及私家車的監控管理方面有一定的實用價值，它為加強對車輛的管理，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仿真試驗系統設計

仿真實驗系統設計的主要核心包括衛星位置的計算、可見星的判斷、最佳定位衛星選擇、誤差計算和定位解的計算等。

2.1 衛星位置的計算

GPS仿真系統不需要接收來自導航衛星的真實信號，取而代之的是通過已知衛星運動方程計算任一歷元衛星坐標，從而確定衛星在車輛上空的分布情況，作為推算車輛位置的數據源。

在仿真中，僅考慮地球引力對衛星的作用，而且還假設地球是一個質量均勻分布的球體，其質量集中于地球中心。該文在數據處理中沒有考慮衛星在各時刻的攝動變化量，所以不能仿真高精度的軌道數據。但是為反映衛星的運動狀態，使用電文中的歷書數據作為計算的初始值，該仿真精度是足夠的。圖1是以UTC(USNO)1993年7月1日0時的歷元時間為基準,用平面投影表示的衛星軌道。采用圖1所示時刻的衛星參數為仿真起點，利用Matlab的數據處理及仿真功能，通過編程可以實現對GPS星座運行的實時解算。建模過程中，衛星橢圓軌道的長半軸a取26 560 km，橢圓偏心率e取0.02。從圖中可以形象地看出GPS衛星星座的空間分布及運動情況。

根據圖1所示的GPS衛星系統初始數據，可得到2008年4月1日10:00:00時刻的衛星在WGS-84坐標系中的坐標,見表1。

圖1 GPS星座的平面投影

表1 衛星在WGS-84坐標系中的坐標

編號X坐標Y坐標Z坐標

16.344 5E+06-2.4154E+077.3649E+06

21.450 8E+075.665 9E+062.109 1E+07

3-8.865 4E+06-2.130 4E+07-1.413 2E+07

44.288 9E+062.510 0E+077.869 0E+06

5-2.003 1E+071.581 5E+077.012 0E+06

62.409 5E+07-1.238 3E+07-7.538 0E+06

71.141 3E+071.122 1E+072.170 4E+07

8-3.025 4E+06-1.509 1E+07-2.114 4E+07

91.774 6E+071.757 2E+077.364 9E+06

104.665 6E+06-1.511 7E+07-2.175 7E+07

11-2.240 5E+07-2.449 8E+061.439 2E+07

122.193 1E+072.608 9E+06-1.383 5E+07

13-1.450 8E+07-5.665 9E+062.109 1E+07

141.265 7E+071.437 7E+07-1.905 8E+07

154.011 7E+062.570 8E+07-7.516 0E+06

161.357 4E+07-1.289 4E+07-1.846 3E+07

172.463 0E+07-6.463 2E+06-7.869 0E+06

18-1.832 1E+07-5.587 4E+061.905 8E+07

191.115 3E+071.087 2E+07-2.109 1E+07

20-1.322 5E+071.768 8E+07-1.383 5E+07

21-1.245 3E+071.005 4E+07-2.170 4E+07

22-1.877 9E+073.772 9E+06-1.905 8E+07

231.822 5E+07-4.262 6E+061.921 7E+07

24-2.333 3E+07-8.902 0E+06-7.364 9E+06

2.2 可見星判斷

衛星在空間運行時，并不是所有的衛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星的數目，從而縮小了衛星組合的遍歷空間。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生的遮擋。另外，衛星仰角過低，產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°［3］。仰角的計算公式為：

E=arctancos(φ璸－φ璼)cos L璓－RR+H1－cos(φ璸－φ璼)cos L璓2

(1)

式中:R為地球的半徑；H為衛星距離地面的垂直高度；φ璸,L璸分別為接收點的經緯度；φ璼為衛星的經度。設定E=7°,則在經度117°10′34″,緯度36°42′47″和高程10m處，可見星及其坐標如表2所示。

表2 可見星坐標

編號X坐標Y坐標Z坐標

21.450 8E+075.665 9E+062.109 1E+07

71.141 3E+071.122 1E+072.170 4E+07

91.774 6E+071.757 2E+077.364 9E+06

122.193 1E+072.608 9E+06-1.383 5E+07

141.265 7E+071.437 7E+07-1.905 8E+07

161.357 4E+07-1.289 4E+07-1.846 3E+07

172.463 0E+07-6.463 2E+06-7.869 0E+06

191.115 3E+071.087 2E+07-2.109 1E+07

231.822 5E+07-4.262 6E+061.921 7E+07

2.3 最佳定位星座的選取

人們利用GPS進行導航定位時，用戶與衛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衛星組成的。

由衛星對地球和地面目標的覆蓋特性可知，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星。從以上分析可知，在選擇最佳星座時，首先選取仰角最大的1顆衛星，然后從其他可見衛星中再任選3顆，共同計算4顆星組成衛星星座的幾何精度因子值GDOP。如此反復計算，最后將各幾何精度因子GDOP排序求得最小值，最小GDOP值對應的4顆星就是最佳星座的衛星組合。

衛星星座GDOP的計算模型主要是以星座的狀態矩陣為依據。這里采用最常用的方向余弦法。設α,β,γ分別為測量點到衛星的斜距與X,Y,Z軸的夾角。令:

l=cos α=ΔX/ΔX2+ΔY2+ΔZ2

m=cos β=ΔY/ΔX2+ΔY2+ΔZ2

n=cos γ=ΔZ/ΔX2+ΔY2+ΔZ2

于是，同時觀測到4顆衛星的星座矩陣為：

Q璓=cos α1cos β1cos γ11

cos α2cos β2cos γ21

cos α3cos β3cos γ31

cos α4cos β4cos γ41

(2)

利用星座矩陣，計算GDOP如下：

GDOP=trace(Q璓QT璓)-1=σ2璛+σ2璝+σ2環+σ2璽

(3)

GDOP是衡量星座結構的總指標。在具體應用中可分成位置、平面、高程、時間4個分指標：

位置精度幾何因子：

PDOP=σ2璛+σ2璝+σ2環

平面位置精度幾何因子：

HDOP=σ2璛+σ2璝

垂直位置精度幾何因子：

VDOP=σ2環

時間精度幾何因子：

TDOP=σ2璽

通過最佳定位星座的選取，得到定位精度最高的4顆衛星為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(時間精度幾何因子) 值為1.129 8。

2.4 誤差計算

GPS定位是通過地面接收設備接收衛星傳送的信息確定地面點的位置，所以其誤差主要來源于GPS衛星、衛星信號的傳播過程和地面的接收設備。此外，在高精度的GPS定位中，與地球整體運動有關的地球潮汐、負荷潮及相對論效應等的影響，也是導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星的距離上，以相應的距離誤差來表示，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。

表3 GPS定位誤差分類及對偽距的影響

類 別誤差來源等效偽距誤差 /m

衛星部分星歷誤差、鐘誤差、相對論效應1.5～15

信號傳播電離層折射、對流層折射、多路徑效應1.5～15

信號接收鐘誤差、位置誤差、天線相位中心變化1.5～5

其他影響地球潮汐、負荷潮1.0

所述的各種定位誤差源，在仿真過程中，為模擬車輛真實的行駛過程，需在計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，仿真時不能精確加以區別，考慮到其綜合的情況，以最大的定位誤差來模擬。