智能汽车的研究在国外受到了广泛的关注，而在国内，尽管存在对这项技术开发价值的不确定性，但政府部门、汽车企业与科研机构仍对此抱有很大希望。与此同时，国内汽车产业也受到智能汽车技术的启发，纷纷与科研单位展开合作，探索自主汽车研发的新思路。2013年3月，北京理工大学和比亚迪汽车有限公司签订了“智能车辆技术合作协议”。2013年11月，双方合作研发的智能汽车Ray，参加第五届“中国智能车未来挑战赛”，获得了第一名。......
2023-09-19
智能汽车技术：全球导航定位系统GPS
【摘要】：卫星导航定位技术中应用最广泛的是全球定位系统。1）GPS组成与定位原理GPS由空间卫星系统、地面监控网和用户接收系统组成。用户接收系统主要由以无线电传输和计算机技术支撑的GPS接收机和GPS数据处理软件组成。2）差分GPS定位技术为了提高定位的精度，通常采用差分GPS技术进行车辆的定位。差分GPS系统由基准站、数据传输设备和移动站组成。
卫星导航定位技术中应用最广泛的是全球定位系统（GPS）。GPS可以向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息；能够进行全球、全天候和实时的导航，且其定位误差与时间无关，具有较高的定位和测速精度。
1）GPS组成与定位原理
GPS由空间卫星系统、地面监控网和用户接收系统组成。GPS定位系统各组成部分相应功能如下：
（1）空间卫星系统。空间卫星系统指GPS卫星星座，由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，分布在6个轨道平面中，相邻轨道之间的卫星彼此呈30°，每个轨道面上都有4颗卫星。在GPS信号进行定位导航时，为了计算车辆的三维坐标，至少必须观测4颗卫星。如果定位做差分RTK（Real Time Kinematic），则基准站和移动站要同步观测至少5颗卫星。
（2）地面监控网。地面监控网包括1个主控站、3个注入站和5个监测站。它们的作用是实现对空间卫星的控制。主控站拥有许多以计算机为主体的设备，用于数据收集、计算、传输和诊断等。监测站配有GPS接收机、环境数据监测仪、原子频标和处理机等，均为无人值守的数据采集中心。
（3）用户接收系统。用户接收系统主要由以无线电传输和计算机技术支撑的GPS接收机和GPS数据处理软件组成。GPS接收机的主要功能是接收、追踪、放大卫星发射的信号，获取定位的观测值，提取导航电文中的广播星历以及卫星时钟改正参数等。GPS数据处理软件的主要功能是：对GPS接收机获取的卫星测量记录数据进行预处理，并对处理的结果进行平差计算、坐标转换和分析综合处理，计算出用户所在位置的三维坐标、速度、方向和精确时刻等。
GPS定位是利用到达时间测距的原理来确定用户的位置。首先测量信号从卫星发出至到达用户所经历的时间段，时间段乘以信号的速度便得到了从卫星到接收机的距离，而卫星的位置是已知的，于是通过测量与3个以上的卫星的距离便可以解算得到接收机的三维位置。
2）差分GPS定位技术
为了提高定位的精度，通常采用差分GPS技术进行车辆的定位。由于差分GPS定位方法能够完全消除多台接收机共有的误差，如卫星钟误差、星历误差，还能够消除大部分诸如电离层和对流层传播的延迟误差，因而能够比单点定位显著地提高定位精度。差分GPS系统由基准站、数据传输设备和移动站组成。其工作过程是：在用户GPS接收机附近设置一个已知精确坐标的差分基准站。基准站的GPS接收机连续接收GPS卫星信号，将测得的位置与该固定位置的真实位置的差值作为公共误差校正量，然后通过无线数据传输或电台数据传输将该校正量传送给移动站的接收机。移动站的接收机用该校正量对本地位置进行校正，最后得到厘米级的定位精度。根据差分GPS基准站发送信息方式的不同可以将GPS差分定位分为如下3类：位置差分、伪距差分和载波相位差分。这3种差分的工作方式相似，都是基准站给移动站发送改正数，移动站用此改正数来修正自己的测量结果，从而获取精确的定位结果。不同的是，所发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。
（1）位置差分：是最简单的差分方法，适用于所有GPS接收机。位置差分要求基准站与移动站观测完全相同的一组卫星。改正数为位置改正数，即基准站上的接收机对GPS卫星进行观测，确定出测站的观测坐标。测站的已知坐标与观测坐标之差就是位置改正数。
（2）伪距差分：是用途最广的一种技术。改正数为距离改正数，即利用基准站坐标和卫星星历可计算出站-星之间的计算距离。计算距离减去观测距离即距离改正数。
（3）载波相位差分：又称RTK技术，是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。实现载波相位差分GPS的方法分为两类：修正法和差分法。前者与伪距差分相同，基准站将载波相位修正量发送给移动站，以改正其载波相位，然后求解坐标。后者将基准站采集的载波相位发送给移动站，进行求差解算坐标。前者为准RTK技术，而后者为真正的RTK技术。
3）GPS误差分析
GPS定位有3个前提假设：①接收机必须准确测量卫星信号的传输时间；②卫星信号必须以已知的恒定速度传输；③GPS接收机接收的卫星信号必须沿直线传播。实际中任何不满足上述假设的因素都将导致测距误差，从而影响定位精度。
GPS的误差源主要包括：卫星时钟误差、星历误差、电离层的附加延时误差、对流层的附加延时误差、多路径误差以及接收机本身的噪声。它们可被分为两类：一类是随时间、空间快速变化，相关性极弱的随机误差，如接收机噪声，用户、卫星钟噪声，多路径误差，电离层、大气层附加延时的随机变化部分；另一类是随时间和空间缓慢变化，相关性很强的随机偏移误差，如卫星钟对GPS时间的偏移，用户钟对GPS时间的偏移，电离层、对流层的附加延时等。
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