車(chē)輛導航定位仿真試驗系統研究

摘要：研究車(chē)輛導航定位仿真算法及實(shí)現方法，為車(chē)輛虛擬駕駛等離線(xiàn)試驗研究提供定位數據具有重要的現實(shí)意義。通過(guò)GPS衛星星座的運動(dòng)仿真、最佳定位星座的選取和仿真接收機的設計，將車(chē)輛運動(dòng)仿真得到的車(chē)輛位置信息轉換為GPS信號輸入到虛擬駕駛模塊，實(shí)現GPS車(chē)輛導航定位仿真實(shí)驗。該系統所輸出的虛擬定位數據能夠滿(mǎn)足離線(xiàn)試驗對數據的要求。
關(guān)鍵詞：GPS；導航定位；仿真試驗；WGS-84

隨著(zhù)信息化汽車(chē)的發(fā)展，衛星全球定位系統(GPS)的應用將會(huì )迅速增加。該系統不僅可實(shí)時(shí)提供車(chē)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(chē)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(shù)有獨立定位、地面無(wú)線(xiàn)電定位和GPS衛星定位三種。獨立定位的最大缺點(diǎn)是誤差累積效應，其定位精度會(huì )隨定位過(guò)程的進(jìn)行不斷下降；地面無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電導航系統，具有全球地面連續覆蓋，功能多，精度高的特點(diǎn)，因此GPS技術(shù)有廣泛的應用價(jià)值和發(fā)展潛力。GPS車(chē)輛導航定位仿真試驗可以模擬真實(shí)的衛星定位，得到離線(xiàn)實(shí)驗所需要的虛擬定位數據，對實(shí)驗教學(xué)、車(chē)輛虛擬駕駛的研究等具有重要的意義。

l 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(lián)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(lǐng)導下，開(kāi)始制定方案、研制、試驗和布設一個(gè)衛星全球定位系統。當今，具有定時(shí)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(hù)的測距系統。實(shí)際上，衛星信號本身的發(fā)射時(shí)間帶有一個(gè)明確的標志，因此采用同步工作的接收機接收該信號時(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(hù)設備三部分組成。用戶(hù)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(shí)刻的位置和速度的基礎上，以衛星為空間基準點(diǎn)，通過(guò)測站接收設備，測定至衛星的距離或多普勒頻移等觀(guān)測量來(lái)確定測站的位置、速度。
1．2 GPS定位在車(chē)輛導航中的應用
交通運輸領(lǐng)域一直是衛星導航定位系統最大的應用市場(chǎng)之一。隨著(zhù)汽車(chē)制造技術(shù)、現代化交通系統等的發(fā)展，基于GPS的移動(dòng)目標監控技術(shù)逐漸成為汽車(chē)領(lǐng)域創(chuàng )新技術(shù)研究的方向之一。智能交通系統ITS就是這方面的具體體現。
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(chē)輛的營(yíng)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(gè)重要標志，物流車(chē)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(shù)、集群通信技術(shù)和信號處理技術(shù)等，可對運行的物流車(chē)輛進(jìn)行統一管理，向用戶(hù)提供各種優(yōu)質(zhì)服務(wù)，并對物流車(chē)輛進(jìn)行科學(xué)管理和監控。另外，網(wǎng)內物流車(chē)輛遇到險情可隨時(shí)向中心報警。這一系統的建設，在社會(huì )上產(chǎn)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(chē)輛提供切實(shí)可行的調度監控管理方案，大大提高了公安處警能力，實(shí)現了從前靜態(tài)處警向動(dòng)態(tài)處警的飛躍。
基于GPS的車(chē)輛定位和監控系統在公交車(chē)、出租車(chē)、物流、郵政快遞以及私家車(chē)的監控管理方面有一定的實(shí)用價(jià)值，它為加強對車(chē)輛的管理，有效防止和打擊車(chē)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(shí)驗系統設計的主要核心包括衛星位置的計算、可見(jiàn)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(lái)自導航衛星的真實(shí)信號，取而代之的是通過(guò)已知衛星運動(dòng)方程計算任一歷元衛星坐標，從而確定衛星在車(chē)輛上空的分布情況，作為推算車(chē)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(gè)質(zhì)量均勻分布的球體，其質(zhì)量集中于地球中心。該文在數據處理中沒(méi)有考慮衛星在各時(shí)刻的攝動(dòng)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(dòng)狀態(tài)，使用電文中的歷書(shū)數據作為計算的初始值，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，用平面投影表示的衛星軌道。采用圖1所示時(shí)刻的衛星參數為仿真起點(diǎn)，利用Matlab的數據處理及仿真功能，通過(guò)編程可以實(shí)現對GPS星座運行的實(shí)時(shí)解算。建模過(guò)程中，衛星橢圓軌道的長(cháng)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衛星星座的空間分布及運動(dòng)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(shí)刻的衛星在WGS一84坐標系中的坐標，見(jiàn)表1。