簡(jiǎn)單介紹汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理及主要應(yīng)用

什么是汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)呢?簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它是以全球24顆定位人造衛(wèi)星為基礎(chǔ)，向全球各地全天候地提供三維位置、三維速度等信息的一種無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)(GPS原理)。那么，它又是如何工作的呢?通常我們所說(shuō)的汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)由三部分構(gòu)成：

一是地面控制部分，由主控站、地面天線、濫測(cè)站及通訊輔助系統(tǒng)組成。

二是空間部分，由24顆衛(wèi)星組成，分布在6個(gè)軌道平面。

三是用戶裝置部分，由GPS接收機(jī)和衛(wèi)星天線組成。現(xiàn)在民用的定位精度可達(dá)10米內(nèi)(GPS導(dǎo)航儀)。

汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本工作原理

首先，測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。要達(dá)到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過(guò)記錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)間，再將其乘以光速得到(由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實(shí)距離，而是偽距(PR)：當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼(簡(jiǎn)稱偽碼)發(fā)射導(dǎo)航電文。

GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的C/A碼和軍用的P(Y)碼。C/A碼頻率1.023MHz，重復(fù)周期一毫秒，碼間距1微秒，相當(dāng)于300m;P碼頻率10.23MHz，重復(fù)周期266.4天，碼間距0.1微秒，相當(dāng)于30m。而Y碼是在P碼的基礎(chǔ)上形成的，保密性能更佳。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號(hào)中解調(diào)制出來(lái)，以50b/s調(diào)制在載頻上發(fā)射的。導(dǎo)航電文每個(gè)主幀中包含5個(gè)子幀每幀長(zhǎng)6s。

前三幀各10個(gè)字碼;每三十秒重復(fù)一次，每小時(shí)更新一次。后兩幀共15000b。導(dǎo)航電文中的內(nèi)容主要有遙測(cè)碼、轉(zhuǎn)換碼、第1、2、3數(shù)據(jù)塊，其中最重要的則為星歷數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶接受到導(dǎo)航電文時(shí)，提取出衛(wèi)星時(shí)間并將其與自己的時(shí)鐘做對(duì)比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時(shí)所處位置，用戶在WGS-84大地坐標(biāo)系中的位置速度等信息便可得知。

可見汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星部分的作用就是不斷地發(fā)射導(dǎo)航電文。然而，由于用戶接受機(jī)使用的時(shí)鐘與衛(wèi)星星載時(shí)鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標(biāo)x、y、z外，還要引進(jìn)一個(gè)Δt即衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時(shí)間差作為未知數(shù)，然后用4個(gè)方程將這4個(gè)未知數(shù)解出來(lái)。所以如果想知道接收機(jī)所處的位置，至少要能接收到4個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)。

GPS接收機(jī)可接收到可用于授時(shí)的準(zhǔn)確至納秒級(jí)的時(shí)間信息;用于預(yù)報(bào)未來(lái)幾個(gè)月內(nèi)衛(wèi)星所處概略位置的預(yù)報(bào)星歷;用于計(jì)算定位時(shí)所需衛(wèi)星坐標(biāo)的廣播星歷，精度為幾米至幾十米(各個(gè)衛(wèi)星不同，隨時(shí)變化);以及GPS系統(tǒng)信息，如衛(wèi)星狀況等。

GPS接收機(jī)對(duì)碼的量測(cè)就可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，由于含有接收機(jī)衛(wèi)星鐘的誤差及大氣傳播誤差，故稱為偽距。對(duì)0A碼測(cè)得的偽距稱為UA碼偽距，精度約為20米左右，對(duì)P碼測(cè)得的偽距稱為P碼偽距，精度約為2米左右。

GPS接收機(jī)對(duì)收到的衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行解碼或采用其它技術(shù)，將調(diào)制在載波上的信息去掉后，就可以恢復(fù)載波。嚴(yán)格而言，載波相位應(yīng)被稱為載波拍頻相位，它是收到的受多普勒頻移影響的衛(wèi)星信號(hào)載波相位與接收機(jī)本機(jī)振蕩產(chǎn)生信號(hào)相位之差。

一般在接收機(jī)鐘確定的歷元時(shí)刻量測(cè)，保持對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤，就可記錄下相位的變化值，但開始觀測(cè)時(shí)的接收機(jī)和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的，起始?xì)v元的相位整數(shù)也是不知道的，即整周模糊度，只能在數(shù)據(jù)處理中作為參數(shù)解算。

相位觀測(cè)值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相對(duì)定位、并有一段連續(xù)觀測(cè)值時(shí)才能使用相位觀測(cè)值，而要達(dá)到優(yōu)于米級(jí)的定位精度也只能采用相位觀測(cè)值。

在GPS觀測(cè)量中包含了衛(wèi)星和接收機(jī)的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應(yīng)等誤差，在定位計(jì)算時(shí)還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差的影響，在進(jìn)行相對(duì)定位時(shí)大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度將大大提高，雙頻接收機(jī)可以根據(jù)兩個(gè)頻率的觀測(cè)量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機(jī)間距離較遠(yuǎn)時(shí)(大氣有明顯差別)，應(yīng)選用雙頻接收機(jī)。

汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)介紹

1、跟蹤靈敏度。汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的跟蹤靈敏度這一參數(shù)對(duì)使用者來(lái)說(shuō)是非常重要的，因?yàn)楫?dāng)使用者身在城市峽谷、隧道、地下停車場(chǎng)等有遮擋的地方，GPS衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)大大降低，如果產(chǎn)品的跟蹤靈敏度這一指標(biāo)較差，就會(huì)出現(xiàn)丟失衛(wèi)星信號(hào)、失去位置信息的情況。

2、定位精度。GB/T19392-2003中規(guī)定系統(tǒng)定位精度應(yīng)小于50m(2DRMS量度)。定位精度差的產(chǎn)品在路網(wǎng)相對(duì)密集的城市地區(qū)，GPS導(dǎo)航就顯得較為困難，以致導(dǎo)航儀識(shí)別不了“掉頭”、“左右車道”、“高架橋”、“立交分道”等等，這樣的導(dǎo)航是非常嚴(yán)重的缺陷，它會(huì)在使用者最需要導(dǎo)航的復(fù)雜路段做出錯(cuò)誤的引導(dǎo)。

3、位置更新率。GB/T19392-2003中規(guī)定位置更新率應(yīng)小于2s。該參數(shù)是考核汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)以一定速度連續(xù)移動(dòng)的狀態(tài)下，位置數(shù)據(jù)刷新的間隔時(shí)間。

4、捕獲。考核汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)以一定速度連續(xù)移動(dòng)的狀態(tài)下，從啟動(dòng)到捕獲的時(shí)間，GB/T19392-2003中規(guī)定系統(tǒng)首次裝車時(shí)，實(shí)現(xiàn)捕獲過(guò)程需要車輛行駛的距離不大于20km，在車輛行駛中從啟動(dòng)到捕獲的時(shí)間應(yīng)小于5min。

5、效率。選取起點(diǎn)與終點(diǎn)距離在50km-500km范圍內(nèi)的路線，進(jìn)行路線計(jì)算，從開始路線計(jì)算到開始路線引導(dǎo)的時(shí)間應(yīng)不大于1min;目標(biāo)檢索過(guò)程中汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)用戶操作的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)不大于1min。

6、電磁干擾。這是消費(fèi)者容易忽視的問題，由于車輛里集中了大量的電子設(shè)備，因此GPS導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾應(yīng)該控制在一定限度內(nèi)，以免影響車輛內(nèi)部的其他電子設(shè)備工作。

汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的主要應(yīng)用

汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)操作的簡(jiǎn)便性是設(shè)計(jì)者追求的目標(biāo)，實(shí)際上這也涉及到一個(gè)安全的問題，因?yàn)轳{車者不允許一邊開車一邊看電子地圖。因此，設(shè)計(jì)者都考慮針對(duì)汽車導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用需求開發(fā)語(yǔ)音及語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，使用者通過(guò)語(yǔ)音代替按鍵操作發(fā)出指令，使導(dǎo)航系統(tǒng)完成相應(yīng)的工作，導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)語(yǔ)音代替圖像文字，向駕車者發(fā)出信號(hào)或指令。例如豐田威馳導(dǎo)航系統(tǒng)就是一種帶有語(yǔ)音技術(shù)的導(dǎo)航系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)彎路口等地方可以用語(yǔ)音提示。

汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用關(guān)鍵是電子地圖。用戶購(gòu)買裝備有導(dǎo)航系統(tǒng)的車輛時(shí)，還能得到一張刻錄了電子地圖的CD-ROM光盤。用戶在開啟車輛導(dǎo)航系統(tǒng)之后,必須把這張CD-ROM插入導(dǎo)航設(shè)備的光盤驅(qū)動(dòng)器中，系統(tǒng)需要道路信息時(shí)都會(huì)到CD-ROM上去獲取。例如豐田威馳DVD導(dǎo)航系統(tǒng)就是這樣，它在副駕駛座下面有一個(gè)DVD驅(qū)動(dòng)器，專門讀取電子地圖DVD光盤。

隨著城鄉(xiāng)建設(shè)及道路變化，電子地圖光盤也會(huì)定期更換。但是，就是最新版的電子地圖也不能保證準(zhǔn)確無(wú)誤。針對(duì)這種情況，汽車導(dǎo)航系統(tǒng)又需要增加一定的輔助支援系統(tǒng)。

目前在應(yīng)用汽車導(dǎo)航系統(tǒng)比較廣泛的地區(qū)(例如歐美和日本)，汽車公司或其他商業(yè)公司建立的呼叫中心或公共交通信息電臺(tái)，通過(guò)GSM移動(dòng)通訊形式發(fā)短消息或電臺(tái)發(fā)送的最新的交通信息提供給汽車上的導(dǎo)航設(shè)備，可以對(duì)汽車上電子地圖的信息隨時(shí)進(jìn)行修正。

我國(guó)對(duì)于地圖的出版有嚴(yán)格的規(guī)定，對(duì)于電子地圖也不例外。因?yàn)樗煌谝话愕碾娮映霭嫖?，其?biāo)準(zhǔn)性、政策性、保密性、技術(shù)性較強(qiáng)，是國(guó)家版圖、行政區(qū)劃界線的科學(xué)表達(dá)，因此電子地圖一定要經(jīng)國(guó)家測(cè)繪局審核后才能出版。目前威馳轎車的DVD語(yǔ)音電子導(dǎo)航系統(tǒng)，也特別注明電子導(dǎo)航系統(tǒng)是“經(jīng)國(guó)家測(cè)繪局的支持和批準(zhǔn)”。為了適應(yīng)汽車自動(dòng)導(dǎo)航設(shè)備需要根據(jù)行駛區(qū)域、路線、自動(dòng)或人工改變地圖比例尺的需求(即電子地圖放大或縮小)，所以，汽車導(dǎo)航系統(tǒng)所使用的地圖必須是以向量方式記錄的。

目前國(guó)內(nèi)一些汽車運(yùn)營(yíng)企業(yè)安裝的“汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)”，主要功能是調(diào)度與監(jiān)測(cè)，與前面說(shuō)明的汽車導(dǎo)航系統(tǒng)不同，這些系統(tǒng)中的車輛上除GPS天線和接收機(jī)外，并不需要車輛自主導(dǎo)航設(shè)備(包括電子地圖)，車輛通過(guò)車載通訊設(shè)備和公司保持聯(lián)系。因?yàn)檫@類系統(tǒng)的導(dǎo)航過(guò)程其實(shí)是人工完成，因此還不能算是汽車GPS自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)。

總結(jié)

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)將會(huì)使得人們的生活更加完善與便捷，小編通過(guò)搜集整理，簡(jiǎn)單對(duì)其組成、工作原理、關(guān)鍵指標(biāo)以及應(yīng)用等基礎(chǔ)知識(shí)作了歸納總結(jié)。