长沙理工大学智能交通复习知识点.docx
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长沙理工大学智能交通复习知识点
第一章绪论
一、ITS是科技发展的产物
1、路是人走出来的。
原始运输，陆上靠人、畜；水上靠人、风、水流。
2、车。
车的发明，4000年前，马，马车。
3、蒸气机。
蒸气发动机的发明，轮船、火车。
4、内燃机。
四冲程内燃机的发明，汽车、轮船、火车、飞机。
5、电动机的发明。
电车、火车、地铁、轻轨等
6、微电子、计算机技术。
数字化、网络化、智能化技术应用于交通领域。
ITS出现。
三、高速公路现状
四、公路交通存在的问题
1、交通拥堵情况严峻
2、交通安全形势严峻
3、空气污染情况严峻
4、能源形势严峻
五、解决交通问题的途径
1、控制需求。
控制汽车的购买和使用。
2、增加供给。
多修路，多建停车场。
3、加强交通管理。
法规、教育、规划、交通信号控制、发展公共交通。
4、实施智能运输系统（ITS）。
六、智能运输系统（ITS）研究内容
日本ITS的开发发展计划:
2000年ITS开始阶段
2005年交通系统革命阶段
2010年自动驾驶的梦想.2015社会系统的革新
日本ITS的开发领域（九大领域）
（1）先进的车辆导航系统
通过可双向通信的导航系统为驾驶员提供最短路径信息、经由路线的堵塞信息、所需时间、交通管制、停车场信息等。
此外，也可以在家里、办公室等地获取同样的信息，以便在出发前确定出行路线。
也可以在停车场、服务区和一般道路的车站获取目的地信息和其它信息。
2）自动收费系统
驾驶员在通过收费站时实现不停车自动非现金付费。
可以提高驾驶的舒适性、减少收费站管理人员的费用、采集车辆OD数据等
ETC的功能:
1消除交通拥堵，降低收费站的通行时间
2减少交通污染，保护环境
3提高道路通行能力，有力地缓解交通拥挤现象
4,ETC还带来大量的直接的现金节约，并减少收费站工作人员的数量
5.车辆管理及防盗
6.消除停车场进出口排队延误现象，提高管理效率和管理水平
7.有利于交通管理者优化交通流，掌握交通的空间和时间分布
ETC的组成
ETC系统主要由车载单元（OBU）、路旁单元（RSU）、DSRC通信协议、车辆自动识别单元（AVIU）、探测设备（DetectEquipment）以及中心系统等组成.ETC系统另外还包括车道控制器（LaneController）、图像捕捉抓拍器及一些辅助设备
ETC的工作原理
ETC系统是利用车载单元（OBU）与路旁单元（RSU）之间的双向通信实现收费过程的信息交互，当车辆进入通信区域时，自动车辆识别单元（AVIU）检测到车辆已进入通信区域，车载单元（OBU）的车载电子标签（ETU）与路旁单元（RSU）之间开始相互交换信息。
（3）安全驾驶支援
通过车辆和道路的各种传感器掌握道路和周围车辆的信息，利用车载装置和信息发布设施等将信息实时发送给驾驶员，并进行危险警告。
通过在车辆上设置的自动控制功能，自行判断自身车辆以及附近车辆的位置、运动方向、障碍物等信息，危险时自动实施速度控制、驾驶控制等辅助驾驶操作，最终实现自动驾驶。
Ø驾驶信息和道路信息提供
Ø危险警告
Ø辅助驾驶
Ø自动驾驶
（4）交通管理最优化
为提高交通安全性、舒适性以及改善环境，在全部道路网内实现最优信号控制。
为防止交通事故引发的二次损失，通过车载装置以及其它信息发布设施将交通事故信息和相应的交通管制信息提供给驾驶员
Ø交通流最优化
Ø交通事故时的实时交通管制信息提供
（5）道路交通管理效率化
实施最适合的道路作业时间判断和作业车辆配置，在灾害发生时，根据准确掌握的道路状况以及灾害情况，实施道路修复车辆的高效配置。
通过车载装置将由于雨雪等天气而实施的交通管制信息及时通知给驾驶员
维持管理业务效率化
Ø通行管制信息的提供
Ø特殊车辆的管理
（6）公共交通支持系统
将公交的运营、拥挤、费用、停车站等信息发送给家庭和办公室终端，或移动中的车载装置、公共汽车站、高速公路服务区等，以帮助公交利用者选择最佳出行时间、换车方式等。
为了实现公共交通的安全、顺畅和便利性，实时收集公交运营信息，实施必要的公交优先通行措施。
Ø公共交通利用信息提供公共交通运营以及运营管理
（7）商用车辆运营效率
降低商用交通量，提高交通安全性。
通过商用车辆自动跟车行驶，快速提高交通效率，降低商用车辆的交通量，提高交通的安全性。
Ø商用车辆的运营管理支援商用车辆的连续自动驾驶
（8）行人支援
通过使用便携式终端、磁、声等设备，以及道路引导设施，保证老弱病残者的安全，实现安全舒适的道路环境。
当行人横穿马路时可通过便携终端延长绿灯时间，车辆通过检测出前方行人，警告驾驶员或采取自动刹车，以防止行人交通事故。
Ø道路引导
Ø危险防止
（9）紧急车辆运行支援
当车辆发生突发事件或发生地震、洪水等灾害时，系统自动向救援中心发出紧急事件警报，实施迅速且有效的救援活动。
紧急车辆线路诱导及救援行动支援通过实时采集突发事故地点和受损路况信息，及时通告救援组织并进行救援指导、为交通事故或自然灾害突发地准备救援车辆。
紧急事件自动通告
紧急车辆线路诱导及救援行动
美国ITS的七大系统
（1）先进的交通管理系统ATMS
主要指先进的监测、控制和信息处理系统。
该类系统向交通管理部门和驾驶员提供对道路交通流进行实时疏导、控制和对突发事件应急反应的功能。
它包括：
城市集成交通控制系统，高速公路管理系统，应急管理系统，公共交通优先系统，不停车自动收费系统，交通公害减轻系统，需求管理系统等。
（2）先进的旅行者信息系统ATIS
主要是对交通出行者提供及时的信息服务。
在出行前通过办公室或家庭的计算机终端、咨询电话、咨询广播系统等，向出行者提供当前的交通和道路状况以及服务信息，以帮助出行者选择出行方式、出行时间和出行路线。
在出行途中，通过车载信息单元或路边动态信息显示板，向出行者提供道路条件、交通状况、车辆运行情况、交通服务的实时信息，通过路径诱导系统对车辆定位和导航，使汽车始终行驶在最佳路线上，使出行者以最佳的出行方式和路线到达目的地。
3）先进的公共运输系统APTS
采用各种智能技术促进公共运输业的发展，它包括：
公共车辆定位系统，客运量自动检测系统，行驶信息服务系统，自动调度系统，电子车票系统等。
4）商用车辆运营管理CVO
5）先进的车辆控制（和安全）系统AVCS
（6）自动公路系统AHS
（7）先进的乡村运输系统ARTS
4中国面临极好的发展机遇
中国ITS发展的外部环境
ØITS已经成为21世纪交通发展的趋势
Ø国际交流与合作频繁
Ø信息化促进高新技术的发展与应用
中国ITS发展的内部环境
Ø政府对ITS的发展极为重视
Ø可持续发展的交通战略正在制定
Ø科教兴国战略的实施
Ø交通基础设施建设成为新的经济增长点
Ø加入交通信息化进程已经列入规划
中国ITS的体系
分8个服务领域、34个服务内容、138项子服务。
•相对日本和欧美而言，我国的ITS发展较晚，在应用方面更显得落后，因此在ITS市场竞争方面，我国相对落后。
•在我国进入WTO后，大量的外国公司将加入到我国的技术领域和咨询领域的市场竞争行列。
若想发展我国的交通运输能力，必须客观地接受这些竞争。
•就目前状况而言，我国在竞争机制、竞争策略、ITS技术、造价、人员素质等许多方面尚不如那些有能力参与我国ITS市场竞争的发达国家。
除了市场保护外，尚无其他优势可言。
•由于近年来我国对这些技术的需求和发展，我国已形成较强的技术力量和基础。
•相对于发达国家来说，我国在这些领域并不显得十分落后。
相反，这几年发展的速度已超过发达国家在这些领域的发展速度。
•因此ITS技术的基础和发展并不会成为我国ITS发展的主要障碍。
•发展我国ITS的主要障碍大多来自非ITS技术方面，主要体现在如下几个方面：
•1）现有的交通运输基础不足
•2）参与市场竞争的能力
七.ITS的效益
改善安全,增进机动化水平，减少拥挤，提高生产率，提高能源效率，降低环境污染
第二章定位技术
能够确定指定物体空间位置的技术，就是定位技术
定位的关键：
参照系。
原点；测距。
对定位技术的基本要求：
准确，快速
例如：
人工分辨、雷达、声纳、GPS、手机定位等等。
Ø地基电子导航系统主要由在世界各地适当地点建立的无线电参考站组成，接收机通过接收这些参考站发射的无线电电波并由此计算接收机到发射站的距离来确定自己的位置。
这一技术在二战中已经被使用，战后发展很快，目前大约有100种不同类型的地基电子导航系统正在运行。
大地原点，亦称大地基准点，即国家水平控制网中推算大地坐标的起标点，利用它我们可以精确地描述自己的地理位置。
地心坐标系，以地球质心为原点，Z、X轴分别指向国际时间局（BIH）1984.0定义的协议地极（CTP）、协议子午面与CTP的交点，Y轴与Z、X轴垂直构成右手法则，是一种国际上统一采用的世界地心坐标系（WGS-84地理坐标系）。
国家海拔水准零点
第一节卫星定位技术
目前国际上主要卫星定位系统：
Ø美国的GPS系统
Ø俄罗斯的GLONASS系统
Ø欧盟的GALLILEO（伽利略）系统
Ø中国的北斗星导航系统
一、美国的GPS
1、定位原理：
由数学知识，对于平面上的一个点，只要知道它到两个参考点的距离，就可以确定该点的位置。
对于空间的一个点，只要知道它到三个参考点的距离，就可以确定该点的位置，也就是三维坐标。
为了获得距离观测量，主要采用两种方法:
Ø一是测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间，即伪距测量；
Ø一是测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波相位测量。
采用伪距观测量定位速度最快，而采用载波相位观测量定位精度最高。
时间系统
GPS的时间以原子钟时间为标准，接收端以格林维治时间为标准。
铯原子钟频率为9,192,631,770Hz，每1,400,000年差一秒。
坐标系统
GPS的卫星位置以地球中心地球固定坐标系（ECEF）表示，接收端以WGS-84地理坐标系表示位置。
GPS系统由三个独立的部分组成：
●空间部分
●地面支撑系统
●用户设备部分
3、GPS的特点
⏹全球，全天候工作：
⏹定位精度高：
⏹实时定位速度快：
⏹抗干扰性能好、保密性强
⏹功能多，应用广
但在定位速度和使用场景则有一定局限性：
比如，一般GPS设备首次搜星定位的时间大约在一分钟左右，而在障碍物较多的情况下，比如城市地区，卫星信号相对较弱，而在室内则往往完全无法接收。
4、GPS政策
1）精密定位服务（5~10m）：
PPS（精码）
2）标准定位服务（100m）：
SPS（粗码）
5、GPS的误差
1）卫星有关的误差：
①卫星星历误差②卫星钟的钟误差
2）与信号传播有关的误差①电离层延迟②对流层延迟③多路径误差
3）与接收机有关的误差：
1接收机的钟误差2接收机的位置误差
3接收机的测量噪声
6、差分GPS（伪距差分和载波相位差分）
为了降低GPS误差，提高定位精度，出现了差分GPS。
所谓差分GPS，就是将一个已精确测量的已知点作为基准点，在此点安装GPS接收机，连续接收GPS信号，通过处理再与已知的精确位置比较，推算出GPS的当前误差，然后把这个误差值发送给该区域内的所有GPS用户，以修正他们的定位解。
7、GPS的应用
1、GPS在大地控制测量中的应用
2、GPS在施工工程中的应用
3、GPS在渔业部门的应用
4、GPS在交通系统中的应用
5、GPS在地球动力学及地震研究中的应用
6、GPS在气象中的应用
7、军事上的应用
8、GPS在精细农业中的应用
9、GPS在旅游中的应用
10、手机GPS导航
第二节手机定位技术GSM
一、定位原理
移动定位技术是利用无线移动通信网络，通过对接收到的无线电波的一些参数进行测量，根据特定的算法对某一移动终端或个人在某一时间所处的地理位置进行精确测定，以便为移动终端用户提供相关的位置信息服务，或进行实时的监测和跟踪。
1、基于移动网络的定位技术
起源蜂窝小区（CellOfOrigin）定位技术
到达时间TOA（TimeOfArrival）定位技术：
到达时间差TDOA（TimeDifference0fArrival）定位技术
增强型观测时间差E-OTD定位技术：
角度达到AOA（ArrivalofAngle）定位技术
2基于移动终端的定位技术
原理是：
多个已知位置的基站发射信号，所发射信号携带有与基站位置有关的特征信息，当移动终端接收到这些信号后，确定其与各基站之间的几何位置关系，并根据相关算法对其自身位置进行定位估算，从而得到自身的位置信息。
具有较高的定位精度。
但其致命的缺陷是需要手机参与定位参数的测量并进行坐标位置的计算，必须对手机和网络的软硬件加以改造或升级，目前倾向的做法是在手机内集成GPS接收机，加大了手机的能耗，而且从商用角度来看很难做到大面积的推广和使用。
二、辅助GPS（A-GPS
将卫星定位技术和网络定位技术结合。
gpsOne=无线网络辅助GPS定位+CDMA三角运算定位
gpsOne定位技术的特点：
✓定位精度高：
平均定位精度为5-50米.
✓定位灵敏度高：
在有CDMA信号覆盖的地方均可定位.
✓定位方式多：
采用无线网络辅助GPS定位和CDMA三角运算定位混合定位模式，农村、郊区通过无线网络辅助GPS定位，室内、地下停车场、高楼林立等GPS定位困难时采用CDMA三角辅助定位.
✓冷启动速度快：
约30秒左右.
优点：
•在城市基站密度较高，在地下停车场，高架桥下及高楼大厦林立等GPS定位困难的区域，CDMA三角定位精度较高。
缺点：
•在农村或郊外CDMA三角定位因无线基站稀少精度较差。
第三节短距离无线定位
室内GPS定位技术。
利用GPS进行定位的优势是卫星有效覆盖范围大，且定位导航信号免费。
缺点是定位信号到达地面时较弱，不能穿透建筑物，而且定位器终端的成本较高。
红外线室内定位技术。
红外线室内定位技术定位的原理是，红外线IR标识发射调制的红外射线，通过安装在室内的光学传感器接收进行定位。
虽然红外线具有相对较高的室内定位精度，但是由于光线不能穿过障碍物，使得红外射线仅能视距传播。
直线视距和传输距离较短这两大主要缺点使其室内定位的效果很差。
当标识放在口袋里或者有墙壁及其他遮挡时就不能正常工作，需要在每个房间、走廊安装接收天线，造价较高。
因此，红外线只适合短距离传播，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在精确定位上有局限性。
蓝牙技术。
蓝牙技术通过测量信号强度进行定位。
这是一种短距离低功耗的无线传输技术，在室内安装适当的蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网（piconet）的主设备，就可以获得用户的位置信息。
蓝牙技术主要应用于小范围定位，例如单层大厅或仓库。
蓝牙室内定位技术最大的优点是设备体积小、易于集成在PDA、PC以及手机中，因此很容易推广普及。
理论上，对于持有集成了蓝牙功能移动终端设备的用户，只要设备的蓝牙功能开启，蓝牙室内定位系统就能够对其进行位置判断。
采用该技术作室内短距离定位时容易发现设备且信号传输不受视距的影响。
其不足在于蓝牙器件和设备的价格比较昂贵，而且对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大。
超声波定位技术。
超声波测距主要采用反射式测距法，通过三角定位等算法确定物体的位置，即发射超声波并接收由被测物产生的回波，根据回波与发射波的时间差计算出待测距离，有的则采用单向测距法。
超声波定位系统可由若干个应答器和一个主测距器组成，主测距器放置在被测物体上，在微机指令信号的作用下向位置固定的应答器发射同频率的无线电信号，应答器在收到无线电信号后同时向主测距器发射超声波信号，得到主测距器与各个应答器之间的距离。
当同时有3个或3个以上不在同一直线上的应答器做出回应时，可以根据相关计算确定出被测物体所在的二维坐标系下的位置。
超声波定位整体定位精度较高，结构简单，但超声波受多径效应和非视距传播影响很大，同时需要大量的底层硬件设施投资，成本太高。
定位新星——RFID
RFID定位系统不需要卫星或者手机网络的配合，其精确度在于RFID读写器的分布，而读写器的分布可以由用户自身根据实际需要进行设置，很适合只需要在特定区域进行定位的用户，具有极高实用价值。
第三章通讯系统
通信是通过各种媒介，实现信息交换。
二、电话的发明家：
英国人亚历山大·贝尔
缘由：
要研制成电话，先要把声音信号变成电信号，再把电信号变成声信号。
1875年贝尔在工作中看到电报机中应用了能够把电信号和机械运动互相转换的电磁铁，这使他受到了启发。
四、光纤通信
光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式。
光纤通信是光导纤维传送信号的一种通讯手段。
光纤通信发展很快，全世界总量超过1亿公里。
我国在这方面起步并不算晚，2000年全国已建成光缆总长度125.2万公里。
光纤通信的通信容量比电气通信大十亿倍，一根比头发丝还要细的光纤就可以传输几万路电话或几千路电视。
光纤通信还特别适合于电视、图像和数字的传送，深入影响社会生活，引起信息传输和通信功能的革命，因此有人把光导纤维比喻为信息社会里“信息传输的动脉”。
光纤通讯的特点是：
（1）信息量大（每根光纤理论上可同时通过10亿路电话）；
（2）原料来源广（石英玻璃），能节约大量的金属；
（3）质量小（每公里27g），不怕腐蚀，铺设方便；
（4）成本低（每公里1万元左右）；
（5）性能好，抗电磁干扰，保密性强，能防窃听，不发生电辐射。
微波传输
微波是一种特殊的无线电信号，通过大气进行传播,是直线传播
常用的微波系统有两种:
基于地面的系统、基于卫星的微波系统
应用:
长途电话、移动通信、电视传播
六、GSM数字蜂窝移动通信系统
数字蜂窝移动通信系统是将通信范围分为若干相距一定距离的小区，移动用户可以从一个小区运动到另一个小区，依靠终端对基站的跟踪，从而使通信不中断。
移动用户还可以从一个城市漫游到另一个城市，甚至到另一个国家与原注册地的用户终端通话。
数字蜂窝移动通信系统主要由三部分组成：
控制交换中心、若干基地台和诸多移动终端，通过控制交换中心进入公用有线电话网，从而实现移动电话与固定电话、移动电话与移动电话之间的通信。
从基站到移动台的传输方向称为下行链路（或前向链路），从移动台到基站的传输方向称为上行链路（或反向链路）。
目前广泛应用的是第二代移动通信系统，采用窄带时分多址（TDMA）和窄带码分多址（CDMA）数字接入技术，已形成的国家和地区标准有欧洲的GSM系统、美国的IS-54系统和IS-95系统、日本的PDC系统。
我国主要采用欧洲的GSM系统。
随着移动通信的不断发展，近年来又出现了一种新型的蜂窝形式——智能蜂窝。
所谓智能蜂窝，是指基站采用具有高分辨阵列信号处理能力的自适应天线系统，智能地监测移动台所处的位置，并以一定的方式将监测到的信号功率传递给移动台的蜂窝小区。
智能天线利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准移动用户信号到达方向，旁瓣或零点对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。
智能蜂窝小区的应用，必将极大地改善系统性能。
智能蜂窝将在以下几方面提高未来移动通信的系统性能：
①扩大系统覆盖区域；
②提高频谱利用率，增大系统容量；
③降低基站发射功率，减少信号间干扰；
④减少电磁环境污染；
⑤节省系统成本等。
GSM系统具有下列主要特点：
GSM系统是由几个分系统组成的，并且可与各种公用通信网（PSTN、ISDN、PDN等）互连互通。
各分系统之间或各分系统与各种公用通信网之间都明确和详细定义了标准化接口规范，保证任何厂商提供的GSM系统或子系统都能互连；
GSM系统能提供国际间的自动漫游功能，所有GSM移动用户都可进入GSM系统而与国别无关；
GSM系统除了可以提供话音业务外，还可以提供各种数字业务；
GSM系统具有加密和鉴权功能，能确保用户保密和网络安全；GSM系统具有灵活和方便的组网结构，频率重复利用率高，业务承担能力强，保证在话音和数据通信两个方面都能满足用户对大容量、高密度业务的要求；
GSM系统抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高等。
卫星通讯
卫星通信系统是将通信卫星作为空中中继站，它能够将地球上某一地面站发射来的无线电信号转发到另一个地面站，从而实现两个或多个地域之间的通信。
卫星通信系统原理所示。
根据通信卫星与地面之间的位置关系，可以分为静止通信卫星（或同步通信卫星）和移动通信卫星。
卫星通信系统由通信卫星、地球站、上行线路及下行线路组成。
上行线路和下行线路是地球站至通信卫星及通信卫星至地球站的无线电传播路径，通信设备集中于地球站和通信卫星中。
优点方面
（1）通信范围大，只要卫星发射的波束覆盖的范围均可进行通信。
（2）不易受陆地灾害影响。
（3）建设速度快。
（4）易于实现广播和多址通信。
（5）电路和话务量可灵活调整。
（6）同一信通可用于不同方向和不同区域。
缺点方面：
（1）由于两地球站向电磁波传播距离有72000Km，信号到达有延迟。
（2）10GHz以上频带受降雨雪的影响。
（3）天线受太阳噪声的影响。
1.卫星通信系统的分类
按距离地面的高度可分为静止轨道卫星、中地球轨道卫星和低地球轨道卫星。
2.卫星通信的主要特点
（1）通信距离远、覆盖地域广、不受地理条件限制。
（2）以广播方式工作，只要在卫星天线波束的覆盖区域内，都可以接收卫星信号或向卫星发送信号。
（3）可以采用空分多址（SDMA）方式。
（4）工作频段高，卫星通信的工作频率使用微波频段（300MHz～300GHz）。
（5）通信容量大，传输业务类型多。
INTELSAT（国际通信卫星组织）卫星通信系统
国际通信卫星组织INTELSAT（InternationalTelecommunicationsSatelliteOrganization）是世界上最大的商业卫星组织，目前有141个成员国，拥有25颗世界上最先进的连接全球进行商业运作的GEO卫星通信系统，可为约200个国家和地区提供相应国际／区域／国内卫星通信综合业务，具有参与全球竞争的丰富运营经验与财力。
该组织积极引入各类卫星通信新业务、新技术，有效地利用卫星轨道、频谱及空间段，以其最佳服务和可靠性誉满全球。
INTELSAT卫星通信系统提供的业务种类有：
（1）电话业务。
（2）视频广播业务。
（3）商业业务。
（4）多媒体业务。
八、INMARSAT（国际移动卫星组织）卫星通信网
INMARSAT系统主要由空间段、网络控制中心、网络协调站、陆地地球站和移动地球站组成。
其中空间段由位于赤道上空35780km静止轨道的4颗工作卫星
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