长安大学ITSPPT全部.docx
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长安大学ITSPPT全部
第一章
ITS的研究背景
ITS的定义
ITS的社会经济效益
各国ITS的发展及研究内容
ITS的体系框架
1.世界各国都面临着以下交通问题：
交通拥挤**交通安全**运行效率低，空气污染严重，能源短缺，五大交通问题互相影响、互相制约。
2.大力发展ITS的推动因素：
日益凸显的交通问题；有限的道路资源；控制车辆增加，治标不治本；巨大的经济效益和商机；强有力的新理论、新技术为其提供了有力的技术保障；提高国际竞争力，减少交通损失
3.智能运输系统：
（IntelligentTransportationSystems,ITS）就是通过对关键基础理论模型的研究，从而将信息技术、通信技术、电子控制技术和集成技术等有效得应用于交通运输系统，从而建立起大范围内发挥作用的实时、准确、高效的交通运输管理系统。
4.ITS的智能体现：
交通基础设施的智能化；交通工具的智能化；安全避撞、路径引导；交通系统的智能化、信息化和一体化；交管中心对道路和车辆状态的实施监控、及时处理事故，保证道路畅通；交通要素信息可以为交通系统的提供者、维护者及使用者共享；
道路、车辆驾驶、乘客服务和系统管理的一体化。
智能交通系统的本质是信息共享、系统集成、技术融合和综合服务，是各种高新技术在交通控制领域的应用。
5.智能交通系统应用的社会经济效益:
减少交通拥挤和行车延误。
；信息服务可使路网负荷均衡；事故迅速通报和现场的迅速清理；智能的高速公路匝道和交通信号系统；减少交通事故的发生率、死亡率。
产业发展和就业机会增加。
能源消耗量减少，污染程度降低。
在经济、社会、环境、技术等方面改善。
6.ITS体系框架产生背景
复杂性：
众多子系统、大量不同用户、变化的技术手段、交通信息和需求。
子系统是分散、孤立的，扩展性差（因建设周期长）。
系统功能无法满足新要求。
7.ITS体系框架是未来ITS的发展规划、纲领性的指导文件、清晰定义各组成数据交换的内容和接口，可以保证ITS各阶段的建设内容的有效集成、各组成ITS的信息如何互通和共享。
ITS建设对协调性、整体性要求更高，难点在于：
跨行业特点，需在复杂的行业间协调。
技术领域广，需各类技术人员共同协作。
技术上相互接口，区域间相互协调。
支持应用研究和技术转移。
保证ITS技术和用户服务安全可靠，价格低廉。
8.ITS体系框架组成：
用户服务：
用户需求；逻辑框架：
ITS功能、数据流；物理框架：
实体化和模型化ITS功能；通信体系框架：
信息交换机制；标准化：
服务于整合；费用效益分析评价：
效益分析、风险评估；实施措施及策略
9.ITS体系框架的意义（课本为准）
⏹宏观指导性和纲领性技术文件
⏹为ITS建设提供依据和指导，保证合理性和科学性。
⏹保证ITS的全面兼容
⏹保证ITS的可持续发展
⏹提供开放市场
⏹公开市场环境，降低制造商风险。
10.美国智能交通系统主要包括：
先进的交通管理系统（ATMS）；；先进的出行者信息系统（ATIS）；先进的公共交通系统（APTS）；先进的乡村运输系统（ARTS）；商业车辆运营（CVO）；先进的车辆控制和安全系统（AVCSS）；自动公路系统（AHS）
11.中国ITS体系结构构成：
用户服务：
系统提供何种服务。
逻辑体系结构：
对服务进行功能分解并对逻辑功能进行组织。
物理体系结构：
提出物理实体落实逻辑功能，以具体提供服务。
用户主体：
被服务对象，明确了服务中的一方。
服务主体：
提供服务方，明确服务中的另一方。
通信体系结构
标准化工作
费用效益分析评价
实施措施及策略
思考题：
⏹智能交通系统在什么背景下产生?
⏹美国、日本和欧洲的ITS是如何推进的？
⏹从美国、日本和欧洲的研究内容来看，你认为哪些有借鉴价值？
⏹陕西省西安市ITS主要有哪些研究内容，要解决什么问题，最终的理想目标是什么？
第三章定位与通信系统
1.卫星定位发展的三个阶段：
卫星三角测量、卫星多普勒定位测量、全球卫星定位测量。
2.定位系统:
GPS单独定位；
GLONASS单独定位；
Galileo卫星定位；
北斗星卫星导航；
GSM定位；
惯性导航（INS）、航位推算（DR）
组合定位：
GPS/GLONASS组合定位；GPS/DRS组合定位；GPS/INS组合定位；
3.美国GPS卫星导航系统
☐GPS定位系统介绍
☐GPS定位系统的构成
☐GPS定位系统的工作原理
☐GPS定位系统的优点
☐GPS定位系统的缺点
☐目前常用的改进方法
4.美国GPS卫星导航系统介绍:
英文全称为GlobalPositioningSystem（GPS）——全球定位系统。
数量：
由24颗卫星组成：
其分布和外观如图。
轨道：
高度约20200公里，分布在六条升交点互隔60度的轨道面上；
精度：
约为10米；
用途：
军民两用；
进展：
1993年全部建成，正在实验第二代卫星系统，计划发射20颗卫星，定位精度将达1毫米。
5.美国GPS卫星导航系统的构成:
GPS由以下三个部分组成：
空间卫星系统：
由24颗卫星组成。
监控系统：
一个主控站，三个注入站和五个监控站。
用户接收系统：
天线单元和接收单元两大部分。
监控站是为主控站提供观测数据，用GPS信号接收机测量每颗可见卫星的伪距和距离差，采集气象要素等数据，并将它们发送给主控站。
主控站:
收集各监测站测得的距离和距离差、卫星时钟和工作状况等数据；时钟改正，状态数据以及信号的大气传播改正，并传送到注入站；监控整个地面监控系统是否工作正常；调度备用卫星替代失效的工作卫星，“拉回”偏离轨道的卫星。
6.美国GPS卫星导航系统的工作原理:
GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。
卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。
而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：
当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。
GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P（Y）码。
C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。
）
7.O、O1和O2成一条直线时
O、O1和O2成一条直线时
结论：
三点不在一条直线上时，两颗卫星可实现二维定位。
二维坐标定位
（x-x1）2+（y-y1）2=R12=（C*（t-t1））2
（x-x2）2+（y-y2）2=R22=（C*（t-t2））2
二维坐标定位
（x-x1）2+（y-y1）2=（C*（（t’+δt）-（t1+δt1）））2
（x-x2）2+（y-y2）2=（C*（（t’+δt）-（t2+δt2）））2
结论：
空间的一点需观测到4颗卫星信号才能实现三维定位。
8.美国GPS卫星导航系统的优点:
1、全球连续定位
系统能为全球任何地点或近地用户提供连续的全球导航服务。
2、定位精度高
系统能为各种用户提供七维导航信息，即三维定位装置信息、三维速度信息和（一维）精确的时间信息。
GPS的精度可达到10米以内，目前开放的民用精度只有30米。
3、全球覆盖率高（高达98%）
4、接近实时定位
该系统所需的定位时间极短，从开机冷启动到捕获到卫星，直到精确定位，最多只需30s，而每次定位的刷新时间只需1或0.5秒。
5、操作简单
GPS接收机的自动化程度很高易于操作，且质量轻、体积小，易于携带和搬运。
9.美国GPS卫星导航系统的缺点及其改进:
1.信号被动中断。
GPS是一种无线电卫星导航系统，需要对卫星有直接观测性在城市高楼区、林荫道、涵洞等地方容易导致信号中断，墙体或山的侧面的多路径效应均易造成信号中断。
2.人为中断。
3.精度易受到以下因素的影响：
电离层延迟、对流层延迟、SA的影响、星历误差、地球自转等。
差分GPS技术。
10.差分GPS误差矫正原理:
当接收机和卫星时钟同步后，由于
⏹电离层
⏹对流层
⏹SA影响
⏹星历误差
⏹地球自转
⏹接收机误差
☐使得接收机测得的伪距ρi不等于真实距离Ri
11.差分GPS技术工作原理：
在一个已经精确定位的已知点作为差分基准点，在此点上安装GPS接收机，连续接收GPS信号，通过处理再与已知的精确位置作比较，不断确定当前误差，然后把他通过通讯链传至该地区的所有GPS用户，以修正它们的定位解。
实现DGPS的方法有多种：
位置差分法、伪距差分法、载波相位差分法
12.差分GPS误差矫正原理:
ρi=Ri+C（δtpR-δtsv）+dρp+dρpion+dρtrop+dMp+VP
⏹接收机时钟偏差——————接收机
⏹
卫星时钟偏差
⏹
卫星星历误差（包括SA）
⏹电离层
⏹对流层
⏹多径效应
⏹接收机误差—————————接收机
13.位置差分GPS误差矫正原理:
步1：
基准站误差
误差、实测值、精确值
步2：
传递误差
修正值、误差、实测值
步3：
考虑修正时的瞬时变化
14.位置差分GPS误差矫正特点：
简单、易行，适用于一切GPS接收机。
⏹基准站坐标精确。
⏹保证观测的是同一组卫星。
⏹需进行坐标换算。
⏹用户和基准站间的距离在100km以内。
15.伪距差分GPS误差矫正原理：
16.伪码差分法：
发送改正的内容是：
伪码信息。
要求：
基准站的坐标精确测量、用户和基准站间的距离在100km以内。
优点：
基准站能提供可见的所有卫星的修正值，伪码修正值不需要换算成当地坐标因而精度高。
缺点：
可任意选择基准站能观测到的卫星中的4颗。
17.载波相位差分原理：
由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。
用户接收站GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。
与伪距差分原理类似：
传递载波相位
18.俄罗斯GLONASS卫星导航系统
☐GLONASS定位系统介绍
☐GLONASS定位系统的构成
☐GLONASS定位系统的工作原理
☐GLONASS和GPS的差异
19.俄罗斯GLONASS卫星导航系统介绍英文全称为GlobalNavyNavigationSatelliteSystem（GLONASS）——全球海军导航卫星系统。
☐数量：
由24颗卫星组成，其中工作卫星21颗，在轨备用卫星3颗。
☐轨道：
3个轨道面互成120°夹角，每个轨道上均匀分布8颗卫星，轨道高度约19100km，轨道偏心率为0.01，轨道倾角为64.8°；
☐精度：
约为10米；
☐用途：
军民两用；
☐耗资：
30亿美元
☐数据信息：
连续、快速定时的三维坐标、三维速度和时间信息。
☐卫星简介：
GLONASS卫星由质子号运载火箭一箭三星发射入轨，卫星采用三轴稳定体制，整量质量1400kg，设计轨道寿命5年。
所有GLONASS卫星均使用精密铯钟作为其频率基准。
☐应用现状：
20.Galileo卫星定位系统：
☐Galileo卫星定位系统介绍
☐Galileo卫星定位系统组成
☐Galileo卫星定位系统工作原理
☐Galileo卫星定位系统的优点
☐和GPS、GLONASS的差异
21.Galileo卫星定位系统介绍
☐数量：
30颗卫星组成，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为候补。
☐卫星：
700公斤，功率1.6千瓦。
卫星绕指向地球的轴线旋转，以使太阳阵总能面向太阳，从而最大限度地获取太阳能。
卫星底面上的天线总是指向地球。
卫星平台尺寸为2.7米×1.1米×1.2米，太阳翼翼展为13米。
☐轨道：
卫星高度为24126公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内；
☐精度：
其水平定位精度优于10米，时间信号精度达到100纳秒。
必要时，免费使用的信号精确度可达6米。
☐用途：
军民两用；
21.Galileo卫星系统优点
☐其覆盖面积将是ＧＰＳ系统的两倍；
☐免费使用精度在10米左右，其地面定位误差不超过1米，精确度要比ＧＰＳ高5倍以上；
☐伽利略系统使用多种频段工作，在民用领域比ＧＰＳ更经济、更透明、更开放。
☐可与GPS、GLONASS兼容，实现组合定位。
☐据估计，该系统将为欧盟创造每年经济收益达100亿欧元，仅出售航空和航海接收终端一项就可在2020年前实现150亿欧元的利润。
☐Galileo定位精度更高，提供精度依次提高的信号：
免费使用的信号（10米）、加密且交费使用信号、加密交费且精度更高信号。
☐系统启动后一直存在启动费分摊和领导权（德国和意大利）等问题上存在利益纷争。
☐预计2014年开始运作，目前完工时间待定。
☐精度高：
“伽利略”为地面用户提供3种信号：
免费使用的信号、加密且需交费使用的信号、加密且需满足更高要求的信号。
其精度依次提高，最高精度比GPS高10倍，即使是免费使用的信号精度也达到6米。
☐兼容性好：
它能够与美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现多系统内的相互兼容。
伽利略的接收机可以采集各个系统的数据或者通过各个系统数据的组合来实现定位导航的要求。
22.GPS、GLONASS和Galileo的差异
23.中国北斗卫星系统
☐自1983起，我国自行研制中国北斗卫星导航系统（BeiDouNavigationSatelliteSystem—BDS），其规划包括3个阶段：
⏹试验阶段（北斗一号）：
2000年10月-12月
（2）、2003、2007。
☐性能和GPS相比差距甚大：
覆盖面积少、地位精度20米，终端机需发送无线电信号，不适合军用，无法在高速移动平台上使用。
BDS系统的3个阶段：
☐试验阶段（北斗一号）
☐北斗二号：
共35颗卫星，定位精度10米、授时精度50纳秒、测速精度为0.2米/秒。
2007、2009年发射前两颗卫星，截止2012年底发射了16颗（第一颗为试验星，第二颗失效，目前14颗提供服务）
☐2013年12月27日，BDS发布了《北斗系统公开服务性能规范（1.0版）》和《北斗系统空间信号接口控制文件（2.0版）》两个系统文件，正式提供区域服务
☐使用阶段：
2020建成35颗卫星（比GPS多11颗）组网而成的全球卫星导航系统。
中国北斗卫星定位系统进展
☐2013年始，在9个示范区启动民用示范工程。
☐2014年9月11日，BDS地基增强系统工程建设正式启动，将在2015年底前建成框架网和部分区域加密网基准站网络并投入运行，提供米级精度的定位服务
☐2018年底前建成全国范围区域加密网基准站网络，提供米级、分米级、厘米级和后处理毫米级的高精度位置服务。
☐是继GPS和GLONASS第三个成熟的卫星导航系统。
24.“北斗一代”定位原理：
☐步1：
客户端向地面控制中心发送“定位请求”。
☐步2：
地面控制中心向两颗卫星发送“询问信号”。
☐步3：
两颗卫星向客户端广播“询问信号”。
☐步4：
客户端响应一颗卫星的“询问信号”，并向两个卫星同时发送“响应信号”。
☐步5：
两个卫星将“响应信号”发回地面控制中心。
北斗一代定位原理
☐北斗卫星导航定位系统的系统构成有：
两颗地球静止轨道卫星、地面中心站、用户终端。
☐双星有源定位
☐以2颗在轨卫星的已知坐标为圆心，各以测定的卫星至用户终端的距离为半径，形成2个球面，用户终端将位于这2个球面交线的圆弧上。
地面中心站配有电子高程地图，提供一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。
用数学方法求解圆弧与地球表面的交点即可获得用户的位置。
☐ 用户利用一代“北斗”定位的办法是这样的，首先是用户向地面中心站发出请求，
☐地面中心站再发出信号，分别经两颗卫星反射传至用户，地面中心站通过计算两种途径所需时间即可完成定位。
☐一代“北斗”与GPS系统不同，对所有用户位置的计算不是在卫星上进行，而是在地面中心站完成的。
因此，地面中心站可以保留全部北斗用户的位置及时间信息，并负责整个系统的监控管理。
☐由于在定位时需要用户终端向定位卫星发送定位信号，由信号到达定位卫星时间的差值计算用户位置，所以被称为“有源定位”。
25.“北斗”卫星导航系统优势：
导航定位；报文通信；定时授时
26.其它的定位方式:
惯性定位、航位推算、GSM等
27.航位推算系统（DR）:
☐利用航向传感器（磁罗盘、角速度率陀螺、差动里程仪）测量航向，利用距离传感器（加速度计、里程仪和多普勒雷达）测量距离，进而推算待测点的位置。
☐优点：
⏹信号不会中断
☐缺点
⏹精度受传感器精度、数据采样频率影响
⏹容易产生累积误差
28.定位与通信系统——惯性定位系统
☐惯性定位导航，利用惯性元件来测量运载体本身的加速度，经过积分和运算得到速度和位置，对运动载体进行定位。
☐组成：
计算机、惯性测量装置和控制显示器
⏹惯性测量装置（如：
加速度计和陀螺仪）。
陀螺仪用来测量运载体的转动运动；加速度计用来测量运载体的平移运动的加速度。
☐具有很好的隐蔽性：
不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰。
☐易产生累计误差；
☐需要其它的辅助定位：
GPS+INS；
29.组合定位——航位推算系统（DR）
☐DR+GPS
☐INS+GPS
GPS+GLONASS:
仅仅利用GPS定位只能观测到5个卫星，而利用组合定位后可以同时观测到8颗卫星
☐导航系统
⏹地理信息系统
30.地理信息系统
☐基本概念
⏹系统：
为了实现某种目的，由一些元素，按照一定的法则或结构组织起来的一个集合体。
⏹信息：
某种加工处理后的数据，它通常具有某种特定的意义。
⏹信息系统：
信息系统（InformationSystem,IS）：
基于计算机技术、网络互联技术、现代通讯技术和各种软件技术，各种理论和方法于一体，提供信息服务的人机系统。
⏹地理信息系统（GeographicalInformationSystem,GIS）是一种以采集、存储、管理、分析和描述地球表面与地理分布有关数据的空间信息系统。
☐数据：
与地理有关的各种数字，如：
经纬度、方位角、气温和降水等等。
☐和一般信息系统的区别
⏹一般信息系统只能存储、管理数据，不能将数据在空间上分布表现出来。
地理信息系统能显示数据的空间分布，具有强大的空间查询、分析、模拟、统计和预测等功能。
发展历程
⏹1963年，加拿大测量学家罗杰·汤姆林森博士首先提出GIS的概念，并建立了世界上第一个GIS——加拿大地理信息系统（CGIS），并于1967年投入使用，用于存储，分析和利用加拿大土地统计局的数据，确定加拿大农村土地能力。
⏹四个发展阶段
⏹我国GIS始于20世纪80年代。
31.GIS（地理信息系统）组成
硬件,软件;数据;人员;模型
32.
33.地理信息系统工作过程
⏹地理数据的输入
☐地理数据输入：
收集数据输入计算机中，对图形数据的输入常用方法就是扫描纸质地图后进行数字化处理。
☐现成电子地图：
Google地图、XX地图、E都市搜狗地图等。
⏹存储
☐采用“分层”技术将地图中的不同要素存于不同“层”中，在将不同的“层”进行重叠，就形成不同主题的地图。
34.
地图匹配算法实例
☐地图匹配——基本方法举例
⏹电子地图的路网数据以若干节点形式存在，节点间以直线近似进行位置匹配（投影）。
⏹每个节点处设一判断区，进入该区若无转角信号则认为尚未达路口，若有转角信号在更小判断区进行判断。
⏹驶出判断区后则按新直线上进行位置匹配。
☐步骤
⏹A点出发至B点按直线匹配，B点投影到C。
⏹行至H点，如无转角信号，则投影匹配到D，若有转角信号将H点直接定位到E点。
⏹进入小判断区将E点记忆，至新定位点F出小判断区时，将E、F用光滑线连接。
⏹继续在F点以后的路线上进行直线匹配。
35.通信系统——GSM
☐GSM全名为：
GlobalSystemforMobileCommunications，中文为全球移动通讯系统，俗称"全球通"，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代移动通信技术，其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准，让用户使用一部手机就能行遍全球。
目前，中国移动、中国联通各拥有一个GSM网，为世界最大的移动通信网络。
GSM系统包括GSM900：
900MHz、GSM1800：
1800MHz及GSM1900：
1900MHz等几个频段。
☐第三代移动通信技术（3rd-generation，3G），是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。
3G服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbps以上。
☐3G牌照的发放方式是：
新中国移动获得TD－SCDMA牌照，新中国电信获得CDMA2000牌照，中国联通获得WCDMA牌照
☐3G标准：
它们分别是WCDMA（欧洲版）、CDMA2000（美国版）和TD-SCDMA（中国版）。
☐ 也称为WCDMA，全称为WidebandCDMA，也称为CDMADirectSpread，意为宽频分码多重存取，这是基于GSM网发展出来的3G技术规范，是欧洲提出的宽带CDMA技术，它与日本提出的宽带CDMA技术基本相同，目前正在进一步融合。
W-CDMA的支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商，日本公司也或多或少参与其中，包括欧美的爱立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、北电，以及日本的NTT、富士通、夏普等厂商。
该标准提出了GSM（2G）-GPRS-EDGE-WCDMA（3G）的演进策略。
这套系统能够架设在现有的GSM网络上，对于系统提供商而言可以较轻易地过渡。
预计在GSM系统相当普及的亚洲，对这套新技术的接受度会相当高。
因此W-CDMA具有先天的市场优势。
☐
CDMA2000是由窄带CDMA（CDMAIS95）技术发展而来的宽带CDMA技术，也称为CDMAMulti-Carrier，它是由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、Lucent和后来加入的韩国三星都有参与，韩国现在成为该标准的主导者。
这套系统是从窄频CDMAOne数字标准衍生出来的，可以从原有的CDMAOne结构直接升级到3G，建设成本低廉。
但目前使用CDMA的地区只有日、韩和北美，所以CDMA2000的支持者不如W-CDMA多。
不过CDMA2000的研发技术却是目前各标准中进度最快的，许多3G手机已经率先面世。
该标准提出了从CDMAIS95（2G）-CDMA20001x-CDMA20003x（3G）的演进策略。
CDMA20001x被称为2.5代移动通信技术。
CDMA20003x与CDMA20001x的主要区别在于应用了多路载波技术，通过采用三载波使带宽提高。
目前中国电信正在采用这一方案向3G过渡，并已建成了CDMAIS95网络。
36通信系统——TD-S
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