第21章 ITS中的通信技术 21.1 ITS概述 21.2 ITS中的通信系统 21.3 ITS中的通信技术 21.4 GPS系统 21.5 国外有关系统介绍

21.1 ITS概述 交通、信息与能源被公认为当今社会的三大支柱型产业。尤其是交通，它是一个国家国民经济的大动脉、生命线，具有极其重要的经济与战略地位。一个国家交通事业的发达与否，直接反映了该国家的科技水平与经济实力，是国家综合国力的一个具体表现。因此，交通事业如何发展已成为当前世界各国所关注的一个焦点和热点。

随着计算机技术、网络技术和通信技术的飞速发展，一个未来交通的雏形也逐渐形成，并在很多方面已初见成效，这就是所谓的智能运输系统(ITS,Intel ligent Transport System）。概括地说，ITS就是将先进的信息与计算机技术、通信技术、网技术、控制技术、微电子技术、传感器技术、人工智能技术和运筹学、数理统计等理论综合应用于道路运输、交通服务和车辆制造等方面，从而形成一种高效、快捷、准确、友好的综合运输系统。

ITS最早出现在美国，20世纪60年代末，美国就开始了这方面的研究，随后日本、西欧也相继涉足该领域。经过几十年的发展，目前世界上已形成美国、欧洲和日本三大ITS研究基地。智能运输系统这个名称是由日本于1990年最先提出的，但当时日本和美国对有关智能运输系统的研究、应用与活动都有各种不同的称呼，所以并未得到世界的公认。直到1994年春，为了筹备在日本横滨召开的第二届世界智能运输系统大会，日本道路交通车辆智能化推进学会提出采用更简洁、准确的名称——“ITS”的建议，得到了欧美等国的赞同，从此，ITS正式作为一个科学术语出现在世界各国的交通科学领域。

从ITS的定义可以看到，ITS技术涉及众多的科技领域，是一个庞大的技术与管理体系，其主要内容包括5大部分： 1．先进的交通信息系统（ATIS） ATIS的主要功能是提供各种与交通有关的公共信息，其中包括车辆位置、道路路况、天气情况、交通流量、道路阻塞情况及各种交通服务信息。车辆导航辅助系统（MNA,Mobile Navigation Assistant）是它的一个重要组成部分。

2．先进的交通管理系统（ATMS） ATMS就是利用先进的科学技术对交通进行科学、合理、准确的管理与控制的系统。电子收费（ETC）是其典型应用之一。ETC系统（Electronic Tall Collection System）又叫不停车收费系统，它是利用安装在车辆上的电子标签（一种非接触IC卡）与路边或悬挂在路面上方的天线进行无线电数据通信完成收费任务的。其基本工作原理是这样的：在车辆上安装一存有该车各种属性（如：车牌号、车主姓名、车型等）且能将这些车辆信息以微波形式发送出来的电子标签（也称车载单元OBU,On Board Unit）；

在收费站点的车道旁设置一套微波（或其它无线通信）收发设备（称为路侧单元RSU，Road Side Unit），并将天线安装在路侧或吊装在车道上方；在收费站内设置一套数据处理设备（称为数据处理单元PDU，Processing Data Unit）。当一载有电子标签的车辆驶入收费站的天线识别区时，路侧单元就与车载单元通过微波进行无线通信，将该车的车辆信息采集出来，然后送给数据处理单元进行数据处理，并由该单元再将处理过的数据送给有关银行，由银行在该车主的账户上扣除应缴的通行费，完成一次不停车收费的操作。

另外，信号灯的动态配时、道路交通事故的自动检测、监控信息的采集、各种信息的传输、货运的车辆配货、客运的联网售票等功能都在ATMS之内。 3．先进的车辆系统（AVCS） AVCS是ITS所有子系统中最复杂、最难实现的。它主要是利用传感器、计算机、控制、通信等技术，把车辆与公路有机地结合在一起，营造出一个安全、快速、高效、舒适的驾驶环境。其主要功能是：

(1)实现车辆的自动驾驶，以消除驾驶员因长时间驾驶而造成的疲劳，提高驾驶舒适性。同时，可以在不适合人驾驶的环境中代替驾驶员驾驶，比如在恶劣天气中或危险路段。   (2)实现车辆的自动控制，尽量减少不安全因素，尽量减少避免交通事故的发生。 (3)实现车辆排队行驶，减小车辆间距，提高运输效率。

4．先进的公共交通系统（APTS） APTS的主要目的是使公共运输尤其是城市公共运输能够更有效、更快捷、更方便、更安全地完成出行者的位移服务。 APTS主要包括以下四项功能： (1)公共运输辅助管理。即利用先进的计算机与网络技术对公交设施的技术状况、服务水平、营运情况等进行实时分析，实现系统规划、营运及管理的自动化。

(2)提供相关的交通运输信息。该功能除了向系统管理部门提供相关的交通运输信息外，还要向出行者提供实时准确的公交营运信息，帮助其制订、调整出行计划。 (3)提供非定线或准定线运输。非定线运输类似于出租车，可根据旅客的要求提供服务。准定线运输指的是公交车辆可按乘客的需求，驶离固定线路一段距离。 (4)提高安全性。要求公交营运者对车站、停车场、营运线路及营运车辆进行实时安全监控，最大限度地保障旅客及工作人员的人身安全。

5．商用车辆运营系统（CVOS） 商用车辆主要指各种货车、公共汽车、出租车和紧急车辆。而商用车辆的运营主要集中于对长途货运系统和公共交通的研究。通过上述介绍，我们对ITS有了一个概括的了解，那么ITS的应用会给我们带来什么好处呢？根据研究和有关资料，ITS的应用将在以下几个方面显示出优越性：

(1)经济方面。有消息表明，美国每年因交通阻塞而造成的燃油和时间浪费超过729亿美元，因交通事故造成的损失超过1500亿美元。而ITS将大幅度提高运输效率，最大限度地保证道路畅通，从而大大地减少浪费和损失。 (2)社会方面。ITS可以改善行车环境和条件，用技术约束车辆驾驶员的粗暴行车行为，进而提高道路上的文明礼貌程度，减少交通事故，其社会效益不可低估。

(3)政府方面。由于缓解交通阻塞、提高运输效率、减少交通事故是ITS的三大主要功能，因此，各国政府对此都非常重视，愿意支持ITS的实施与普及，并借此推动地方经济的发展，提供更多的就业机会。

(5)人口方面。ITS能够减少因交通事故而伤亡的人数，因此可提高人们的健康和安全水平。同时，由于ITS可提供快速、方便的客运服务，会有越来越多的城里人到市郊甚至更远距离的乡村居住，从而减轻城市的生活负担和压力，带动并促进市郊或乡村的经济发展，提高乡村人口的文化素质，缩小城乡差距。

(6) 技术方面。尽管ITS的应用会使车辆和道路都变得越来越复杂，但对使用者——人来说，出行将会越来越方便、越来越轻松、越来越舒适和越来越安全。综上所述，从宏观上讲，ITS就是以人、车、路（现在已延伸到空运和水运）为主要对象的综合性服务与管理系统，其宗旨就是使交通运输（客运和货运）更安全、更快捷、更准确、更高效、更经济、更环保和更舒适。

21.2 ITS中的通信系统 从技术层面上看，一个ITS系统主要由交通信息采集、交通状况监视、交通控制、信息发布和通信5大子系统组成。其工作流程可概述为：ITS首先利用检测和监视系统采集各种交通设施（道路、隧道和桥梁）、交通状况及有关服务的信息，然后经通信系统送至交通管理中心（或当地管理控制分中心）集中处理，

再利用通信系统和信息发布系统将这些信息传输到ITS系统的各个用户（驾驶员、居民、警察局、停车场、运输公司、医院、救护排障等部门），供他们根据自己的具体情况做出相应的反应（或直接将指令传送给前端的控制执行系统，使之产生相应的控制和操作）。比如，出行者可实时选择交通方式和交通路线；交通管理部门利用控制系统自动进行合理的交通疏导、控制和事故处理；

运输部门也可随时掌握车辆的运行情况，进行合理调度。从而使路网上的交通流运行处于最佳状态，改善交通拥挤和阻塞，最大限度地提高路网的通行能力，提高整个公路运输系统的机动性、安全性、生产效率和人们出行的舒适度。由此可见，各种信息的传输是ITS的运行基础，而以传输信息为目的的通信系统就像人体内的神经系统一样在ITS中起着至关重要的作用。

根据通信对象的不同，我们把通信系统分为三大部分（见图21―1）：一是以路网基础设施为主的信息传输系统，它是利用沿高速公路（或城市道路）铺设的电缆或光纤，将沿线的收费站、管理站、货运站、客运站、十字路口等基础设施连接而成的一个通信网；二是上述网与车辆之间的通信系统（RVC，Road Vehicle Communication）,它主要是利用无线通信技术（广播或专用短距离通信等方式）完成路-车之间的信息交换；三是车辆之间的通信（IVC，Inter Vehicle Communication）,它是利用无线电或红外线完成车与车之间的信息传输。

图21―1 ITS通信系统示意图

21.3 ITS中的通信技术 21.3.1 ITS中的通信技术概述 通信就是信息的传输。为此，我们先了解一下ITS中都有哪些信息。根据目前ITS的发展情况，我们总结出ITS中的信息主要有以下几类：

第一类属于公共信息，也就是需要向广大交通设施的使用者（车辆驾驶员、旅客、行人、货主等）公布的信息，比如气象信息、道路路况信息、交通阻塞信息、交通事故信息、车辆到达信息、客车售票信息等。 第二类是交通管理部门内部的管理信息，比如车辆调配信息、人员管理信息、车辆运行信息、办公信息以及控制和管理指令等。 第三类主要指有关车辆收费的信息，比如车辆属性、车主信息、上路时间与地点、下路时间与地点、费率、黑黄名单（透支和接近透支的车辆、车主名单）等。

第四类是交通监控信息，比如各种传感器的输出信号、摄像机的视频信号、交通设施的控制信号、高速公路上的紧急电话、GPS信息等。 第五类是交通管理部门对行驶车辆的指挥信息以及车辆之间的沟通信息。从信息的形式上看，我们目前所能见到的信息ITS都有，即语音信息、活动图像（视频）信息、图片信息、文字信息、数据信息等。

上述分类并不是绝对的，有的信息可能具有多类性，分类的目的是为了便于理解。从中我们可以看到ITS中的通信业务复杂、信息种类繁多，单一的通信技术无法满足ITS的业务需求。

1）无线电广播 无线电广播主要应用于一些公共信息的发布。它包括交通广播和路侧通信广播。交通广播就像我们熟悉的电台广播一样，驾驶员在车辆内利用收音机接收广播信息，这比用视觉从各种信息板上得到信息更方便、更安全。国外的各广播电台一般都有专设的交通信息中心广播节目时间，定时播送高速公路及附近公路的交通情况，比如高速公路上的事故、道路状况和气象等信息。

另外，在市区内也可以通过交通广播向驾驶员播报各路段和各路口交通情况，以供他们选择合适的路线到达目的地。路侧通信系统是在高速公路上利用路肩或中央分隔带上的感应天线进行广播的一种无线电通信系统。其广播的信息内容主要是根据各种传感器收集到的有关交通信息和交通管理部门的有关管理调度指令。由于这些信息是由中央控制室计算机编辑加工并经过声音合成发出的，因此，这种系统一般不需要设专职的播音员。

该系统可对不同的路段、不同的车流方向通过路段所设置的发射天线播送不同的内容，播送的信息量大，内容随时间、地点的变化而变化，针对性强，实时性好。欧洲的大多数国家已经普及了交通数据专用电台RDS―TMC（Radio Data System―Traffic Message Channel），且相当多车辆的车载电台具有RDS的接收能力。

无线电广播一般可采用调幅或调频方式。为了充分利用现有的广播资源，可以不重新建立专用的交通广播电台，而是利用现有调频电台（也可以是调幅电台）的副载波将交通信息调制后和电台节目一起发射出去。需要说明的是，普通接收机（收音机）只能收到电台节目而收不到副载波上的交通信息，要想收到交通信息必须用专用接收机。

2）电缆通信 紧急电话、调度电话、道路情报板、可变限速标志、收费口、车辆检测器、匝道口与控制中心进行的低速数据通信等通常采用市话电缆传输信号，一般采用基带传输方式。 3）微波通信 数字微波中继通信是地面传输的一种有效通信手段。其中继间距一般30～50km。用于难以铺设光缆或电缆地区的通信接力，还用于专用短距离通信。

4）移动通信 通常包括常规的无线通信系统和新兴的蜂窝无线通信系统、无线寻呼系统、无绳电话系统等。而蜂窝无线通信系统一般采用工作于800MHz的GSM专用集群指挥通信系统或CDPD（Cellular Digital Packet Data）移动数据通信系统。移动通信特别适宜于路管理、交通安全管理、道路养护、收费稽查、紧急求援和事故处理等场合。目前欧洲和我国已经普及了GSM，其中欧洲使用GSM的费用很低，且数据通信的效果很好。美国有多种移动数据通信系统，其中以CDPD系统最有潜力。

5）光纤通信 用于高速公路或城市道路计算机广域网（WAN）与局域网（LAN）。可搭载数据、文本、图像、语音、图片等多媒体信息。 6）数字基带通信 用于局域网（LAN）内部和一些检测器、监视器、传感器的信息与信号的传输。 7）数字载波通信 用于高速公路或城市道路计算机广域网（WAN）与局域网（LAN）的信息传输。

8）红外线与超声波通信 主要用于一些传感器的数据采集和短距离数据通信。 9）卫星通信 主要用于GPS系统。上述通信技术在ITS中并不都是独立存在的，很多技术相互渗透、相互交叉，你中有我、我中有你。另外，我国现在大多数高速公路通信网采用SDH技术，随着ITS的不断深入和科学技术的迅猛发展，特别是宽带综合业务数字网B―ISDN技术的兴起，高速公路上的通信网、计算机网和监控网三大网将会合并成一个网，从而大大提高了通信效率和管理水平。

21.3.2 专用短程通信标准(DSRC)   DSRC是一种通信技术标准或协议，主要用于ITS领域（比如ETC电子收费系统），其通信距离一般在10m左右。目前国际上共有以下几种DSRC标准： (1)国际标准化组织的ISQ/TC204； (2)欧洲标准化组织的CEN/TC278； (3)美国的ASTM/IEEE； (4)日本的TC204； (5)中国的TC204。 各标准指标见表21―1。

表21―1 DSRC标准

表21―2 我国ITS建议标准

中国ISO/TC204技术委员会于1998年5月向交通部无线电管理委员会提出将5 中国ISO/TC204技术委员会于1998年5月向交通部无线电管理委员会提出将5.8GHz频段分配给ITS短程通信专用。具体技术指标见表21―2。选用5.8GHz频段作为DSRC通信频段的主要优点是： (1)我国通信系统的标准靠近欧洲标准，无线电频率资源的分配基本相同； (2)800～900MHz频段主要用于移动通信系统； (3)2.45GHz频段主要用于医疗设备和家用微波器具；

(4)5.8GHz频段背景噪声小，且解决该频段的干扰和抗干扰问题要比915MHz和2.45GHz频段容易； (5)该频段的设备供应商较多，有选择余地； (6)有利于在该频段开展其它ITS的服务项目。   从表中可以看到DSRC工作在微波频段，对二进制信元采用曼彻斯特或NRZI等码型进行信道编码，然后以载波方式进行通信。

21.3.3 ETC中的几种短程通信技术 ETC系统中的通信根据其功能主要分为前台数据采集和后台的数据传输两大部分。前台的数据采集就是指车辆与收费站之间的数据通信（也就是车载单元OBU与路边单元RSU之间的通信），后台部分主要是利用计算机网络进行收费站与收费管理中心或银行之间的收费数据通信。而OBU与RSU之间的通信就属于专用短程通信范围。因此，下面我们对OBU与RSU之间出现的通信技术作一简要介绍。

图21―2 感应线圈式通信系统示意图

1．感应线圈式通信系统 基于电磁感应原理的感应线圈式系统是最早使用的一种通信技术。其基本原理是，在车辆底盘上安装一载有车辆标识码的无线电发射机（发射频率为50～500kHz）或称电子车牌为OBU，在指定地点道路路面下埋设一感应线圈，在路旁安置RSU设备；当车辆到达线圈上方时，底盘上的电子车牌就将标识码信号以无线电波的形式发射出去，该信号将感应线圈中的振荡信号进行调制，感应线圈再将这一调制信号通过RSU传送给站点的PDU进行身份识别与数据处理，完成通信工作，图21―2是其系统示意图。

依据对OBU供电方式的不同，感应线圈式通信可分为主动式和被动式两种。主动式系统靠自备电池或车辆上的电池供电；被动式所需电力靠埋于路面下的另一感应线圈所产生的电磁场提供，其原理是供电线圈靠交流电供电，产生交变磁场，当车辆驶上供电线圈时，根据互感原理，供电线圈可将供其产生的电磁场能量传递给OBU内的线圈，在线圈两端产生感应电动势，向OBU供电。

1) 系统优点： (1)可靠性很高。由于电子牌照与感应线圈的距离很近（约等于车辆底盘的高度，一般不超过1米），且每辆车的情况基本相同，因此感应线圈接收到的数据信号相当稳定可靠。 (2)故障率低，经久耐用。由于电子牌照仅具有存储和发射车辆标识码的功能，电路的复杂性和数据处理的繁琐性都很低，因此系统的故障率就很低。

(3)抗干扰性强。由于系统的工作频率很低，信号穿透性好，不受泥土、尘埃、雨水等外部环境的影响。另外，因电子牌照与感应线圈的距离很近，所以天线的发射功率很低，车与车之间的信号干扰就小。 2)系统缺点 (1)电池更换不便。对于主动式电子牌照，因更换电池需专业人员完成，所以当车辆数量较大时，更换电池将是一项繁琐的高强度工作。若由汽车供电，则容易出现人为的断电作弊现象。

(2)线圈埋设复杂。对于被动式电子牌照，虽不用更换电池，但却使感应线圈的埋设变得复杂、繁重。 (3)传输信息量小。由于工作频带B较窄，在信噪比一定的情况下，由香农公式C=Blb(1+S/N)可知，信息量C就小。

2．光学式通信系统 光学式通信可分为条形码识别和车牌照识别两种。条形码识别系统是将含有车辆标识码的条形码标签粘贴在车辆的某一显眼位置上（如挡风玻璃或车门上），作为车辆的身份标签；当车辆通过识别区时，设置于路边或吊装在路面上方的激光扫描器即发射激光，扫描车上的条形码，激光接收器将从条形码上反射回来的光波信号送给条形码识别器即可解读出车辆身份，系统简图如图21―3所示。

车牌照识别是近几年来将图像识别技术应用于交通领域的一项高新技术，据有关资料显示，车牌照识别系统目前能达到的主要技术指标为： (1)单车识别平均时间约为1秒； (2)正确识别率大于96%； (3)误识率小于0.5%； (4)拒识率约为3.5%。

车牌照识别的基本原理是，当车辆进入识别区时，由摄像机采集一幅包含车牌照的车辆局部图像，然后将该图像送给主要由计算机构成的图像处理与识别单元，由该单元将车牌号码识别出来。系统示意图如图21―4所示。

图21―3 条形码通信系统示意图

图21―4 车牌照式通信系统示意图

1)系统优点 (1)车载单元极其简单（条形码式），车牌照识别式则无需另装车载单元，成本低，驾驶人员接受意愿高； (2)不受电磁波的干扰； (3)不产生高能量微波，对人体无害。

2)系统缺点 (1)对工作环境及能见度要求高； (2)受天气影响较大； (3)识别精度较低； (4)系统电路复杂，价格高昂； (5)图像识别时间较长。

3．微波式通信系统 微波式通信其工作频率在微波频段（300MHz～300GHz），目前主要有915MHz、2.45GHz及5.8GHz几种。选取如此高的工作频率，其中一个主要原因是天线的尺寸可以很小，便于在汽车上安装电子标签。它主要由车载电子标签、路边微波收发设备和数据处理计算机组成。

图21―5 两种电子标签示意图

根据电子标签构成形式的不同，可分为一件式和两件式系统；根据标签工作方式的不同，可分成只读式（单向式）和读写式（双向式）系统；依据电子标签应答方式的不同，可分为主动式和被动式两种。图21―5是电子标签示意图。   一件式电子标签——它由一片存有车辆属性（标识码等）的集成电路芯片和一个小型微波发射机组成。属性数据只能一次性写入，不能更改；读写主动电子标签是在只读式的基础上，增加了可读写的数据存储器和小型微波接收机，它既可将标签内的车辆标识码等数据传送给RSU，也可接收并存储RSU发出的有关信息。

被动式标签是将RSU发射出的微波以某种方式进行调制并反射出去，从而将标签内的信息传送给RSU。两件式电子标签——两件式电子标签又称聪明卡式电子标签，它由一张IC卡和车载微波收发机组成。IC卡中含有一微型CPU，具有一定的计算、处理和存储数据能力。因此它比一件式标签的功能要多，它不但可作为电子标签使用，还可充当信用卡和金融卡。作电子标签时，要将它插入车载机，由车载机完成标签与RSU之间的双向通信，并将卡中信息显示出来。系统示意图见图21―6。

图21―6 微波式通信系统示意图

另外，根据电子标签的供电方式，标签又可分为有源式和无源式两种。标签内含有电池或靠车辆蓄电池供电的称为有源式。利用路边单元进行供电的是无源式，其工作原理是这样的：当车辆进入RSU的识别区时，RSU通过天线发送一能量波（某一频率某一波形的微波信号，如正弦波），在标签周围形成能量场，标签中的天线即产生感应电动势（类似于收音机接收广播信号），该电动势对标签内的电容器充电，然后标签就利用该电容器的放电进行工作。

1)系统优点 (1)数据传输量大，速度快。由于工作频率在微波频段，频带宽，因此在单位时间可传送较多的信息；或多次传输重复信息，以备核查。 (2)天线安装方便。因系统工作频率高，所以天线的尺寸就小。 (3)只读式系统可靠性极高，可多次传送数据，电路简单，成本低，故障率低。 (4)读写式系统因标签具有存储数据之能力，故可极大地减轻收费站点计算机及计算机网络的负担。

(5)主动式系统的识别距离有一定的调整范围，以标签允许功率（约小于300μW）发射的最大距离为限；因标签主动发射信号，故可靠性好，抗干扰力强。 (6)无源式系统不需自备电源，无电力耗尽之忧。 (7)被动式电路较主动式简单；由于标签靠反射波通信，因此信号强度弱，相邻车道的互扰小。 2)系统缺点 (1)易受外界电磁场的干扰。 (2)若发射功率控制不好，有可能对人体产生不良影响。

4．声表面波式通信系统 采用声表面波进行通信从技术上说是比较先进的，但只能是只读式。其工作原理与微波只读式系统基本相似，所不同的是标签反射电波的原理不同。系统的车载标签不需电池供电，当车辆进入RSU识别区时，标签受到RSU微波收发器发出的微波激发后，标签内的锂晶体将产生一种沿晶体表面运动的声波（即声表面波），该波被印刷在晶体表面的车辆标识数据码所调制，然后由微型天线发射出去。有资料表明，这种标签的有效工作距离约为1.3～4m。

其主要缺点是批量生产困难，信噪比较低，其它优缺点与无线电式系统相似，系统示意图见图21―6。通过上述4种通信系统的介绍，我们可以看到只有微波式系统可以执行DSRC标准。也可以这样认为，其它几种技术都属于过渡技术，只有微波技术才是发展方向。

21.4 GPS 系 统 21.4.1 GPS概述 GPS系统在ITS系统中扮演着非常重要的角色。无论是车辆导航、交通管理还是车辆调配、车辆监控等应用都离不开它。目前，我国不少城市的银行押款车和警车都装上了GPS定位系统。而GPS系统从根本上来讲属于一种通信系统。

GPS是英文Navigation Satellite Timingand Ranging/ Global Positioning System的字 头缩写NAVSTAR/GPS的简称。意思是利用导航卫星进行测时和测距，从而构成全球定位系统。现在国际上已经公认将这一系统简称为全球定位系统GPS。

GPS是美国为满足陆海空三军和民用部门对导航越来越高的要求而提出的一个技术解决方案。该方案是由分布在6个互成60°轨道平面上的24颗卫星（每个轨平均分布4颗卫星）组成。其中21颗为工作卫星，另外3颗作为备用。这样的卫星布置基本上可以保证在地球上的任何一个位置能同时观测到4颗卫星。其工作卫星分布示意图见图21―7。

图21―7 GPS卫星分布示意图

21.4.2 GPS系统组成 GPS系统由三大部分组成，即GPS卫星、地面控制系统和用户GPS接收机。GPS卫星由洛克韦尔国际公司空间部研制，重774kg，主体呈柱形，直径1.5m，底部装有多波束定向天线，能发射L-1和L-2波段的信号，其波束方向图基本上能覆盖半个地球。卫星轨道长半轴为26609km，偏心率为0.01，倾角为55°，卫星高度20200km，运行周期为12小时，设计寿命7年。

利用卫星定位和导航，首先必须知道卫星的位置。地面控制系统测量和计算每颗卫星的星历，编辑成电文发送给卫星，然后再由卫星实时地播放给用户，也就是所谓的广播星历。 GPS系统的地面控制系统由1个主控站、3个注入站和5个监测站组成。主控站主要完成以下功能：采集数据。采集各监测站所测得的伪距和有关数据以及监测站自身状态数据和海军水面兵器中心发来的参考星历。

编辑生成导航电文。根据采集到的全部数据计算出每颗卫星的星历、时钟改正数、状态数据以及大气改正数，并按一定的格式编辑生成为导航电文传送到注入站。系统诊断。对整个地面控制系统的工作状态、卫星的健康情况进行诊断，将结果编码后告知用户。调整卫星。根据测得的卫星参数及时将卫星调整到预定轨道使其正常工作。同时还可进行卫星调度，用备份卫星替代失效的卫星。

3个注入站将主控站送来的数据定时注入各个卫星，然后由卫星发给广大用户。上述两大组成部分和具体的用户关系不大，是由专门机构投资、建设和维护运行的，是一种共享型的信息资源。每个GPS用户至少必须拥有一台GPS接收机，来接收卫星发出的有关定位信息。根据不同的标准，接收机有多种分类。

按编码形式可分为：有码接收机和无码接收机。 按通道方式可分为：时序接收机、多路复用接收机和多通道接收机。 按所用器件可分为：模拟接收机、数字接收机和混合式接收机。 按性能高低可分为：X型接收机、Y型接收机和Z型接收机。 按用途不同可分为：军用、民用、导航、测时、测地型接收机。 尽管接收机种类繁多，但其电路结构基本上一样，主要分为天线单元和接收单元两部分，如图21―8所示。

图21―8 GPS接收机原理框图

21.4.3 GPS定位原理 对于一个GPS接收机来说，要想确定它的三维坐标必须能同时接收4颗GPS卫星的定位信息。每个卫星以广播形式向地面发送有关定位信号，接收机收到该信号并计算出信号从卫星上发出到它接收到所用的时间，然后乘以光速就可得到该卫星到接收机之间的距离。因为受到各种误差的影响，这个距离不是真正的实际距离，所以被称为伪距。然后，以这个距离为半径，以卫星为圆心，就形成了一个球面。当接收机同时知道与三颗导航卫星的距离时，就可形成三个球面，三个球面的交点就是接收机的位置。为了修正卫星和接收机的时间误差，还需要同时使用第4颗卫星。

GPS信号主要包含3个部分：载波、测距码和数据码。载波有两种载频： L1载波——载频fL1=154×f0=1575.42MHz，波长λ1=19.03cm。 L2载波——载频fL2=120×f0=1227.6MHz，波长λ2=24.42cm。 式中,f0是时钟频率，f0=10.23MHz。

在L1载波上将数据码和两种测距码进行PSK调制。在L2载波上只将测距P码进行PSK调制。所谓测距码是两种伪随机码。美国政府在GPS系统中提供两种服务，一种是标准定位服务SPS，采用一种称为粗码（C/A码，Coarse/Acquisition）的测距码进行定位，精度约为100m，主要供民用。另一种是精密定位服务PPS，采用一种称为精码（P码，Precise）的测距码进行定位，精度达到10m，主要是军方和经过特许的民间用户使用。

在实际使用中发现两种码的定位精度远远高于设计值。粗码精度可达14m，精码达到3m。为此，美国政府决定采用所谓的SA（Selective Availability）政策（选择使用政策），人为地把误差引入卫星定位数据中，故意降低定位精度，以防未经许可的用户将GPS用于军事目的。采用SA政策后，粗码的精度降为100m左右。至于数据码，由于内容较多，在此不作介绍，有兴趣的读者可参阅有关书籍。

由于SA政策使大多数民间用户、商业用户的定位精度大大下降，单点定位误差达100多米，难以满足这部分用户的要求。这就迫使人们采用其它方法提高定位精度。差分定位系统便应运而生。在单点GPS定位过程中存在着以下三种误差。 (1)卫星时钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等。这部分误差对所有接收机都存在，属于公共误差。 (2)传播延迟误差，这部分误差不能由用户测量或计算。

图21―9 差分GPS示意图

(3)接收机固有的误差，比如内部噪声、通道延迟、多径效应等。利用差分技术可将第一部分误差彻底消除；第二部分误差大部分消除；第三部分误差利用差分技术无法消除。 简单地讲，差分定位的基本原理是这样的：在一个定位区内，找一个已知坐标的点位安放一部接收机作为基准接收机。则基准接收机的单点定位与其实际位置就有一个差值，把这一差值作为一个修正值发送给区域内的其它接收机，那么这些接收机就可利用这一修正值修改它们的单点定位值，从而得到比较精确的定位坐标。实验证明，在以基准点为圆心，半径500km的范围内，差分定位技术是可行的。差分定位示意图见图21―9。

除了上述GPS基本内容之外，GPS系统还采用了其它通信技术，比如扩频通信技术、相关接收技术、最小频移键控、纠错编码等，限于篇幅本书不作介绍。需要指出的是，随着地理信息系统（GIS）的发展和移动通信GSM的普及，将GPS与GIS或与GSM相结合的应用在ITS中将会越来越广泛。

21.5 国外有关系统介绍 自先进的交通信息系统概念提出以来，就受到交通工程工作者的普遍关注，许多发达国家近年来投入了大量的人力、物力和财力进行研究、试验和开发。目前，已开发成功的系统有：美国的Pathfinder、TravTek、ADVANCE、Travinfo；德国的Ali―Scout和日本AMTICS等。当然，它们都还集中在路线导航功能的实现，至于信息提供功能还很不完善。下面介绍一下德国的Ali―Scout系统和日本的AMTICS系统。

21.5.1 Ali―Scout系统 Ali―Scout车辆装配一个车内导航辅助系统，它包含指示方向的磁性罗盘和一个量测行驶距离的车轮速度传感器；一个带显示器的仪表板可激活路线导向功能并给出路线导向指令。   Ali―Scout系统的功能概览如图21―10所示。

图21―10 Ali―Scout系统示意图

在Ali―Scour系统中，沿着公路安装了红外线信号灯（红外线通信收发设备），它与交通信息控制中心的中心计算机相连，在Ali―Scout车辆内也装有红外线信号灯，这样既可从交通信息控制中心发送信息给车辆，也可以从车辆内发送信息给交通信息控制中心，实现信息的双向传送，车辆和路边信号灯间交换的信息数据见表21―3。

表21―3 车辆/路边信号数据通信

信息中心计算机存有路线导向信息以及当前交通阻塞和道路状况数据。它从行驶的车辆上接收到它的当前位置和想去的目的地信息，从而为每一辆车计算出到达目的地的最优（最快）路线。信息中心计算机知道车辆如果按指定的路线行驶时必然经过的下一个信号灯位置。它为车辆准备了一个信息包，信号灯将向准备经过它的车辆传送所记录的所有信息。

每一辆接近一个信号灯位置的车辆接收到该地点的全部信息，车辆仅选择那些与它同路的车辆信息。这些信息仅指导车辆沿指定路线到达下一个信号灯位置，在那儿车辆又会收到新的指令。从出发点开始，驾驶员就使用车辆的导航系统，遵循Ali―Scout显示器的方向箭头指令。这样，车辆在整个路线上接收到一个接一个的信息指令，直到收到出口指令。

当车辆从一个信号灯行驶到下一个信号灯时，Ali―Scout车辆执行交通探测工作。在每个信号灯位置，车辆读出有关发送信息时间和上一个信号灯位置的数据，这样就标识了行驶路线上的路段和通过该路段所需时间。所有Ali―Scout车辆的交通探测数据均发送给中心计算机，以提供给当前交通状况数据库。行驶在系统范围内地区的Ali―Scout车辆自动执行此功能，无需驾驶员参与工作。

从整个交通流的观点来看，依据目的地和当前交通状况信息，信号灯信息给车辆以一条最快捷的路线通过道路网络。典型地，在一个服务于局部地区的道路网上，相对少量的主要公路（干线）吸收了大部分交通：许多车辆在公共始点进入系统，又在公共终点离开系统。在正常交通状况下，沿途的路线导向信息对这些车辆是相同的。这样，信息就不需要传递给单个的车辆，仅给行驶在同样路线上的一群车就行了。

Ali―Scout系统中信息处理功能的分配与ADVANCE和TravTek系统不同。在ADVANCE和TravTek系统中，每辆车均配置了一个公路与当前交通信息的数据库，通过它，车辆可计算出路线导向指令。而在Ali―Scout系统中，信息中心计算机处理路线导向指令，然后通过红外线信号灯分配给车辆，这样大大简化了车内装置的处理功能，从而导致装置的价格降低。车内单元(IVU，InVehicleUnit）大约有一个袋装支票簿大小，装在车辆的仪表板上。

IVU可显示路线导向符号和代表目的地的八个字符组成的行，它也提供了控制按钮以及一个可分离的手提键盘（可远离显示屏）用来输入目的地。

21.5.2 AMTICS系统 20世纪80年代日本国家警视厅在邮电省合作下，试验了一种先进的移动交通信息系统，如图21―11所示，英文缩写为AMTICS（Advanced Mobile Traffic In formationand Communication System），并发展了三种通信方式：短波信标通信，移动数据蜂窝电台和调频（FM）副载波。

图21―11 电信站和AMTICS示意图

AMTICS是唯一利用电信站传递交通中心信息的系统。试验该系统需要建立一个交通控制中心，它有三项任务：一是收集交通信息，如交通事故和交通堵塞情况；二是对交通信息进行编辑，然后控制信号灯；三是通过设在各处的信息终端，发出无线电信息，根据此信息驾驶员按自己的判断选择“路径”，从而适当地分配交通流量，达到最希望的交通形式。 为了接收来自交通中心的无线电信息，在公路上行驶的汽车必须装上天线以及相应的车载导航装置，如图21―12所示。对那些没有导航装置的汽车来说，驾驶人员可在电子交通信息显示牌上看到道路交通堵塞的信息。

图21―12 路车之间通信示意图

日本在1990年开始的VICS（VehicleIn formationand Communication Systems）项目基于以前的研究成果，在日本建立了世界上第一个国内统一的进行交通信息服务的通信系统。VICS采用三种通信方式：红外信标，安装于道路的主要路段；短波信标，安装于乡村区域的道路和高速公路；调频副载波广播。VICS在1996年4月正式开始信息服务，覆盖区包括东京等大城市及主要高速公路，目前大概已经覆盖全日本。VICS播发的实时交通信息包括：主要地点间的行程时间，交通拥挤，法规，事故，广域的最优路径选择信息和道路施工、天气情况及停车场信息等。这里提到的信标其实就是短距离通信装置。