汽车导航技术

汽车导航技术【摘要】全球定位系统(GPS)是本世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。Theglobalpositioningsystem(GPS)arethe1970sbytheU.S.armedforcesjointlydevelopedthenewgenerationspacesatellitenavigationandpositioningsystem.Itsmainpurposeisforland,seaandairthreeareastoprovidereal-time,all-weatherandglobalnavigationservices,andusedforinformationcollectionand232thmonitoringandemergencycommunicationandsomeothermilitarypurpose,isthedominatingtheglobalstrategyimportantcomponent.Aftermorethan20yearsofresearchexperiment,$30billiondollars,toMarch1994,globalcoverageupto98%of24starGPSsatelliteconstellationcompleted.【关键字】全球定位系统（Theglobalpositioningsystem）无线技术（Wirelesstechnology）信号接收（Receivingsignal）车辆跟踪和车辆导航（Vehicletrackingandvehiclenavigation）一、汽车导航系统简介具有GPS全球定位系统功能，能让驾驶者在行驶时随时随地知道自己的所在位置和所行驶路线，汽车导航具有语音自动导航、最佳路径搜索等功能，能使驾驶者一路捷径，畅通无阻，集成的办公、娱乐功能能让出行者驾驶轻松，高效出行。二、GPS的概念全球定位系统(GPS)是本世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。全球定位系统由三部分构成：(1)地面控制部分，由主控站(负责管理、协调整个地面控制系统的工作)、地面天线(在主控站的控制下，向卫星注入寻电文)、监测站(数据自动收集中心)和通讯辅助系统(数据传输)组成；(2)空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个道平面上；(3)用户装置部分，主要由GPS接收机和卫星天线组成。全球定位系统的主要特点：(1)全天候；(2)全球覆盖；(3)三维定速定时高精度；(4)快速省时高效率：(5)应用广泛多功能。全球定位系统的主要用途：(1)陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等；(2)海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；(3)航空航天应用，包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。GPS卫星接收机种类很多，根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型；根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。经过20余年的实践证明，GPS系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。三、GPS定位原理24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。为提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技术，建立基准站(差分台)进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。车用导航系统主要由导航主机和导航显示终端两部分构成。内置的GPS天线会接收到来自环绕地球的24颗GPS卫星中的至少3颗所传递的数据信息，由此测定汽车当前所处的位置。导航主机通过GPS卫星信号确定的位置坐标与电子地图数据相匹配，便可确定汽车在电子地图中的准确位置。在此基础上，将会实现行车导航、路线推荐、信息查询、播放AV/TV等多种功能。驾驶者只须通过观看显示器上的画面、收听语音提示，操纵手中的遥控器即可实现上述功能，从而轻松自如地驾车。四、组成部分汽车导航系统（GPS）有两部分组成。一部分由安装在汽车上的GPS接收机和显示设备组成；另一部分由计算机控制中心组成，两部分通过定位卫星进行联系。计算机控制中心是由机动车管理部门授权和组建的，它负责随时观察辖区内指定监控的汽车的动态和交通情况，因此整个汽车导航系统起码有两大功能：一个是汽车踪迹监控功能，只要将已编码的GPS接收装置安装在汽车上，该汽车无论行驶到任何地方都可以通过计算机控制中心的电子地图指示出它的所在方位；另一个是驾驶指南功能，车主可以将各个地区的交通线路电子图存储在软盘上，只要在车上接收装置中插入软盘，显示屏上就会立即显示出该车所在地区的位置及目前的交通状态，既可输入要去的目的地，预先编制出最佳行驶路线，又可接受计算机控制中心的指令，选择汽车行驶的路线和方向。五、车载卫星系统的四大要素位于地球上空的同步卫星最初是用于军事和航空导航。美国政府在80年代时放宽了对同步卫星的使用限制，为其后来的广泛采用，打开了一个新天地。随后而来的商用通讯卫星，更是大大的增加了通讯卫星的准确性和覆盖度。自打有了公路，就有了为人们指路的地图。然而，作为人们指路向导的地图，又常常成为造成人们关系紧张的根源。因为印制的地图常常不能够跟得上街道的变化，又难以辨认，就会造成开车的人责备旁边坐车的人不会看图，不能提供准确的指令。所以，能够利用高空上的卫星信号为汽车准确而又及时导航定位的卫星导航系统，就成了无价之宝。近年来，汽车导航系统的发展非常迅速。目前，人们不但可以在购买新车时选择导航系统作为选择配置，还可以在已有的汽车上安装该设备，甚至可以配置一台移动式的卫星导航系统，开那辆车就把它放到那辆车上，或者带着它去野游、爬山。为汽车驾车人指路的卫星导航系统，有下述4个重要因素：卫星信号、信号接收、信号处理和地图数据库。(1)卫星信号汽车卫星导航系统需要依靠全球定位系统（GPS）来确定汽车的位置。最基本的，GPS需要知道汽车的经度和纬度。在某些特殊情况下，GPS还要知道海拔高度才能准确定位。有了这三组数据，GPS定位的准确性经常就可以达到2～3米。因为GPS需要汽车导航系统在同步卫星的直接视线之内才能工作，所以隧道、桥梁、或是高层建筑物都会挡住这直接视线，使得导航系统无法工作。再者，导航系统是利用三角、几何的法则来计算汽车位置的，所以汽车至少要同时在三个同步卫星的视线之下，才能确定位置。在导航系统直接视线范围内的同步卫星越多，定位就越准确。当然，大多数的同步卫星都是在人口密集的大都市的上空，所以当你远离城区时，导航系统的效果就不会太好了甚至根本就不能工作。（2）信号接收GPS系统的工作原理是解析从同步卫星那里接收到的信号。投影在竖直的平面上，这些信号可以形象地表示为一个个的倒漏斗形。当这些“漏斗”的下半部分有一定的重叠时，GPS的解析程序就能够计算出汽车所在位置的坐标。在汽车行驶的过程中，一个类似于飞机或轮船导航用的陀螺仪的装置，可以连续地提供汽车的位置。但卫星信号有所间断时，计速器所提供的数据就用来填补其中的空白，并用来记载行驶时间。（3）信号处理GPS接收到的信号和计速装置所提供的信息，要通过接收器，提供给汽车导航系统，并由软件系统分析处理，重叠在存储的地图之上。（4）地图数据库当GPS提供的坐标信息重叠到电子地图上时，驾车人就可以看出自己目前的位置以及未来的方向了。这最后一个环节叫做成图，也是车载导航系统中最重要的一环。离开了成图，导航系统就等于是没有了方向。六、注意事项车载导航系统的地图数据库来源于多种渠道，其中最主要的来源是城市政府机关提供的街区数据库。对一个好的车载导航系统来说，地图的数量，准确程度，以及数据的及时性，都很重要。不管GPS提供的坐标位置有多么准确，如果你的导航系统不能提供你所在地区的地图，或是提供的地图有错误，你的系统就可以说是毫无价值。因而，购买车载卫星导航系统时，要注意以下事项：第一，检查测试系统的准确性。选择一、两个你所熟悉的路段，或是新近开张的酒店，看一看系统是否能够准确显示汽车的位置。因为街道、路段总是在不断地变化，你的系统也必须提供定期的更新服务。第二，考虑系统的存储能力。在美国，若是将全国的地图都存下来，至少需要三片光碟。因而，车载导航系统也一定要有相应大的硬盘内存。第三，图像显示。车载导航系统的图像显示，可以装在汽车的驾驶仪表盘上，也可以投射到手提电脑甚至掌上型电脑的屏幕上。为了适应不同的天气和光线条件，图像显示屏幕下必须有足够强的亮度，还要有足够的大小和好的分辨率。六、汽车导航的系统分类GPS车辆应用系统一般分为两大类：车辆跟踪系统和车辆导航系统。它们在功能上截然不同，一种是用于车辆的防盗，一种则是用于车辆的自主导航。由于“只接受，不发射”信号是GPS是接收系统的一大特点，所以用于防盗的GPS跟踪系统就是要借助通信网络以及政府配套系统给GPS车载防盗仪，提供收取使用费用的解决方案。而车载导航仪是通过接受卫星信号，配合电子地图数据，适时掌握自己的方位与目的地，自主导航的模式不收取任何使用费用，用户可以根据自己的需要有选择的购买地图数据。GPS技术是利用GPS卫星信号接收的，可以24小时不间断地接收卫星发送的数据参数结算出接收的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。车载导航仪是通过接受卫星信号，配合电子地图数据，适时掌握自己的方位与目的地，自主导航的模式不收取任何使用费用，用户可以根据自己的需要有选择的购买地图数据。当使用者把车载GPS安装在车上后，无论使用者身处哪个城市、城镇或是郊区，我们都能在转瞬之间找到一家餐馆或是最近的一家加油站.七、汽车导航装置产业的发展车载导航技术是现代多学科的高新技术结晶，它综合了导航卫星及目标定位技术、陀螺等传感技术、GIS数字电子地图技术、城市智能化交通管理技术、GSM动态导航通讯业等高新技术的成果。其中GPS（GlobalPositioningSystem）全球卫星定位系统技术因其实用、价廉，并可在全球范围内确定位置、速度和时间，已成为当今发展最快的无线产业之一。除目前正在使用的29颗人造卫星外，俄罗斯也积极开发和部署“全球卫星导航定位”系统；欧盟于2002年3月正式启动计划，到2008年将发射部署30颗卫星；日本将实施“准天顶卫星系统”；连发展中国家的印度也有导航卫星的规划。这些新的卫星定位系统都将大大向前推进原美国的GPS技术水平，精度可控制在1m的误差范围。世界权威机构的研究显示，2000年全世界对装有GPS全球定位系统接收机的车用导航装置的需求，使市场上的销售额达到30亿美元，到2005年仅美国销售额将达112.5亿