GPS在車輛定位導航系統(tǒng)中的應用

引言

　　近年來，隨著經濟的飛速發(fā)展，機動車的增長率遠遠高于道路修建的速度，任何城市都面臨道路狀況改善相對滯后的局面，從而造成交通擁堵、環(huán)境惡化，大力發(fā)展智能交通系統(tǒng)（ITS）已成為解決交通問題的唯一行之有效的出路。利用全球定位系統(tǒng)（GPS）的城市車輛定位技術作為ITS 的關鍵技術之一，借助電子地圖等其他手段，可依據(jù)城市道路擁擠狀況和運輸?shù)淖罴丫€路，選擇運輸途徑，從而避免運輸?shù)缆愤x擇的盲目性，提高了城市車輛的調度和管理水平，減少車輛行駛時間和油耗，從而保證城市道路系統(tǒng)負荷的均勻性，達到改善交通狀況的目的。車輛定位與導航可采用各種技術手段進行，但其中車輛精確定位的實現(xiàn)是最重要，也最困難，花費最高的。但自從GPS 應用于車輛定位與導航中，情況發(fā)生了劃時代的革命性變化。下面就以GPS 為切入點介紹它在車輛定位與導航中的應用。

　　1.緒論

　　自六十年代以來，許多國家即開始對導航和定位技術的研究。開始，其主要用于軍事目的，如使用慣性器件的美國的“民兵（MX）巡航導彈系列”即首先使用了導航和定位技術。隨著現(xiàn)代技術的不斷發(fā)展，導航和定位系統(tǒng)的器件開始向小型化、輕型化、低廉化方向發(fā)展。于是，導航和定位系統(tǒng)開始逐步進入消費市場，特別在交通方面（主要用于交通流的引導和疏通）。

　　將運載體從起始點引導到目的地的技術和方法稱為導航；而車輛導航系統(tǒng)即是測量并解算出車輛的瞬時運動狀態(tài)和位置，提供給駕駛員或自動駕駛儀以實現(xiàn)車輛的正確操縱或控制。車輛導航系統(tǒng)發(fā)展起始于七十年代初，美國公路局于70 年代初提出了一種電子路徑引導系統(tǒng)（ERGS），此系統(tǒng)是一種具有無線路徑引導能力的導航系統(tǒng)，它以短距離指向標網(wǎng)絡作為其基本的技術起點而形成的中央動態(tài)路徑引導功能的導航系統(tǒng)；但是，由于資金有限，此系統(tǒng)最終沒有實現(xiàn)。

　　到了八十年代，隨著無線電通訊技術和計算機技術的不斷發(fā)展，歐、美、日先后開發(fā)了CARIN 系統(tǒng)、EVA 系統(tǒng)、LOREN 系統(tǒng)、OMEGA 系統(tǒng)、RACS 系統(tǒng)和AMTICS 系統(tǒng)等。

　　進入九十年代后，衛(wèi)星定位技術的不斷完善，美國和前蘇聯(lián)分別完善了其衛(wèi)星定位系統(tǒng)，使GPS 系統(tǒng)和GOLLNAX 系統(tǒng)開始真正的進入民用市場，并使以此系統(tǒng)為依托的車輛導航系統(tǒng)得以巨大發(fā)展。

　　從導航和定位技術的發(fā)展過程來看，它的發(fā)展和相應時代的技術發(fā)展是并行的。在九十年代，以GPS 為基礎的導航系統(tǒng)不斷地完善，在國內外都進入了實用階段，美國開發(fā)的PATHFINDER 系統(tǒng)，日本的VICS 系統(tǒng)。在中國，GPS 定位導航技術于近幾年也了巨大的發(fā)展，如西安504 所開發(fā)的WP2000 系統(tǒng)，其主要用于導航和報警方面。

　　2. GPS 概述

　　2.1 GPS 系統(tǒng)簡介

　　全球定位系統(tǒng)，簡稱GPS，是沿地球軌道運行的24 顆導航衛(wèi)星的星座集合。GPS 接收機就是利用這些衛(wèi)星所發(fā)送的精確的時間和位置信息來進行定位。該系統(tǒng)可提供地球上所有點的三維坐標。

　　美國五角大樓利用GPS 提供的導航數(shù)據(jù)以應付險峻地形和各種突發(fā)情況，同時它也控制著此系統(tǒng)。盡管GPS 主要用于軍事目的，但是它在民用和商業(yè)領域中的價值不斷的被認識。GPS 衛(wèi)星也因此發(fā)送兩種代碼：一種只供軍方使用的加密代碼PPS（也稱P 碼），另一種是供民間使用的標準定仁明良務代碼SPS（C/A 碼）。美國政府己于21 世紀初宣布，自2000 年5 月1 日子夜開始，取消SA 政策，使民用C/A 碼的定位精度大大提高。

　　GPS 系統(tǒng)主要是由三部分組成：（1）GPS 衛(wèi)星（空間部分），（2）地面監(jiān)控系統(tǒng)，（3）GPS 接收機（用戶部分）。

　　2.2 GPS 定位的基本原理

　　GPS 定位的基本原理是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為己知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。

　　利用GPS 進行定位是以GPS 衛(wèi)星和用戶接收機天線之間的距離（或距離差）為基礎，并根據(jù)已知的衛(wèi)星瞬時坐標來確定用戶接收機所對應的點位，即待定點的三維坐標（x，y，z），其關鍵是測定用戶接收機天線至GPS 衛(wèi)星之間的距離。GPS 定位方式主要有絕對定位和相對定位兩種。

　　3.GPS 在車輛定位與導航中的應用

　　車輛定位與導航的研究在國外起始于上世紀70 年代，目前稱為AVLN（AutomaTIc Vehicle LocatiON and Navigation，自動車輛定位與導航）。

　　AVLN 是智能運輸系統(tǒng)（ITS）或智能汽車/ 公路系統(tǒng)（IVHS）的基礎環(huán)節(jié)。

　　GPS 車輛定位與導航系統(tǒng)，以其精確定位的易實現(xiàn)性、相對成本的低廉性、設計與安裝的相對獨立性，自1995 年以來，在國內獲得了迅速發(fā)展。中國科技大學GPS 實驗室在其中也做出了開創(chuàng)性的工作。

　　3.1 GPS 車輛導航系統(tǒng)的發(fā)展

　　GPS 全球定位技術作為一項高新技術，以前國內主要應用于鐵路、空運及海運領域，隨著GPS 全球定位系統(tǒng)技術日趨成熟，該技術開始轉向公路運輸領域。目前，GPS 車載定位系統(tǒng)主要用于公交、出租、客運等行業(yè)。通過GPS 定位技術可以很好地解決公路交通擁擠的現(xiàn)象，GPS 車輛定位系統(tǒng)是借助于GPS 全球定位系統(tǒng)為機動車輛提供定位信息的系統(tǒng)。GPS 系統(tǒng)可以提供全球覆蓋、全天候、免費的高精度標準授時/ 導航定位服務，通過GPS 接收機可以實時地獲得經緯度信息進行確定經緯度位置和速度、時間等信息車輛定位系統(tǒng)將獲得的一系列信息進行處理以確定車輛的具體位置。日本，豐田、東芝、索尼等在轎車導航系統(tǒng)方面的研究處于世界領先地位。1991 年，東芝公司轎車導航系統(tǒng)，采用一種可操作的電視GPS 接收機，可顯示沿途飯店、旅館和商店等信息。

　　1994 年，索尼公司推出一種帶電子地圖的汽車導航系統(tǒng)，將一個8 通道的GPS 接收機與CD- ROM格式的地圖及信息數(shù)據(jù)庫結合在一起，并能接收調頻無線電廣播發(fā)送的交通流量信息。奔馳、豐田、本田等大公司，積極開發(fā)自己的導航信息系統(tǒng)，拓展導航信息服務市場。在美國，克萊斯勒公司研制了一種基于GPS 的車輛導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)在失去衛(wèi)星信號后，可用羅經和記程計工作，保持車輛繼續(xù)導航。威斯汀豪斯公司使巴黎的公共汽車率先使用車輛調度和導航系統(tǒng)。

　　3.2 GPS 與車輛導航系統(tǒng)

　　GPS 在ITS 中的應用主要體現(xiàn)在車輛導航上。在GPS 的諸項應用中，車輛定位導航應用發(fā)展最快，并取得了巨大的經濟效益和社會效益。車輛應用已躍居GPS 各應用之首。

　　雖然汽車是人們日常生活中的一部分，但是，擁有小汽車并不一定使我們的生活變得更加方便。公共交通工具是在固定的交通路線上行駛的，與此不同的是，小汽車和卡車司機需要知道到達目的地的路線以及何處可以停車。如果道路網(wǎng)錯綜復雜，那么，司機就很容易迷路，這種情況，既令人焦急，又浪費寶貴的時間。

　　車輛導航系統(tǒng)就像一個自信的領航員坐在汽車的副駕駛位置上，指引司機一點也不用費勁即可按時到達目的地。即使有了導航系統(tǒng)，如果司機的方向辨別能力太差，也是容易迷路的。如果將你目前所處的位置和目的地在顯示屏上標出來，那么，事情就好辦了。顯示屏上的箭頭表明你的當前位置，并向你建議朝哪個方向行駛，可以到達目的地。有的導航系統(tǒng)具有聲音導航提示功能，如前面向右拐，或者你離目的地還有一半的路程。因此，司機就不需要頻繁地看顯示器了。導航系統(tǒng)的另一個具有吸引力的性能，是資料信息軟件庫，該軟件庫將飯店、高爾夫球場和其他娛樂場所等當?shù)氐牡缆沸畔⒓显谝黄稹?/p>

　　所謂GPS 車輛導航系統(tǒng)，就是利用接收GPS 信號對機動目標進行監(jiān)控和定位，并根據(jù)航跡情況對其運動進行優(yōu)化和指導的系統(tǒng)。使用車用導航系統(tǒng)可帶來縮短行車時間、快速到達目的地、減少能源消耗、保障行車安全等多方面的利益。

　　車輛GPS 定位導航系統(tǒng)的正常運轉至少需要覆蓋全球的GPS 衛(wèi)星系統(tǒng)、輕便可靠的GPS 接收機、快速強大的運算系統(tǒng)、覆蓋面廣內容詳實的電子地圖以及無線通訊網(wǎng)絡等附屬設施。

　　3.2.1 車輛定位技術

　　車輛定位技術是整個車輛導航系統(tǒng)的基礎，系統(tǒng)中幾乎所有的功能都以車輛定位的精確度為前提。車輛定位的精確度和實時性直接關系到一個智能交通系統(tǒng)的實用價值和整體性能。由于車輛定位技術在車輛導航系統(tǒng)中特殊且有重要的作用，車輛定位技術一直是各種車輛導航系統(tǒng)研究和開發(fā)機構的重點課題。GPS 全球定位系統(tǒng)是由美國提出并實施的一項龐大的宇宙及航天工程，其最初的目的是為美國軍方服務，但隨著近年來GPS 技術的民用化，它逐漸成為了一個全球性的工具。在陸地上的移動信息系統(tǒng)方面，GPS 逐步被應用到安全保障、車輛導航領域。GPS 定位精度高、實時性好，基本上能夠滿足未來ITS 中車輛導航系統(tǒng)的精度要求。因此，基于GPS 的車輛自動定位/ 導航與管理系統(tǒng)的開發(fā)與應用正日益受到國內外各部門的高度重視，并將顯示出巨大的經濟和社會效益。

　　3.2.2 GPS 車輛定位系統(tǒng)硬件設計

　　車載設備的具體工作環(huán)境要求GPS 車輛定位系統(tǒng)的體積要盡可能小，可靠性要盡可能高。因此，系統(tǒng)硬件核心部分適宜選擇某種嵌入式計算機。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，在產品中嵌入微機作為控制器已開始隨處可見。由于PC 體系結構的廣泛流行，與PC 兼容的軟件、硬件、外設和開發(fā)工具都比其它體系結構更豐富、更便宜，將PC 體系結構用于嵌入式應用就意味著能夠大幅度地降低開發(fā)成本、減小風險及縮短開發(fā)周期，而且減少了許多令人頭疼的系統(tǒng)維護和技術支持。PC/104計算機可以滿足以上要求，它體積小、集成度高，提供與PC 總線在體系結構、硬件和軟件上的完全兼容，而且結構緊湊的棧接式模塊很適合嵌入式控制應用的獨特要求。由于使用CMOS 器件，PC/104 模塊功耗低，不存在散熱問題，工作溫度范圍寬（0- 700℃）；結構緊固，非常緊湊，所占面積只有90mm×96mm，超小的體積使安裝和攜帶都很方便；減少了產品部件的數(shù)量；由模塊構成的系統(tǒng)，直接疊裝，無需機箱和底板；具有良好的抗沖擊、抗震特性。己有的PC/104 模塊為構造嵌入式系統(tǒng)提供了種類繁多的各種構件，它高集成性和可模塊化的結構適用于多種應用。

　　3.2.3 基于GPS 導航技術的電子地圖

　　電子地圖是GPS 導航系統(tǒng)的重要組成部分，它是導航系統(tǒng)與用戶的界面，它把接收到的導航定位信號和機動目標行駛范圍的地理特征相結合，動態(tài)而直觀的對目標的運動進行管理和指導，而使用戶無須了解接收到的數(shù)據(jù)的含義就可以方便簡潔的使用導航系統(tǒng)。電子地圖還是對導航系統(tǒng)性能的擴展，由于電子地圖是由相應軟件組成，它可方便的實現(xiàn)各種功能，最大程度的發(fā)揮導航系統(tǒng)的潛能，做到方便、準確、快捷，而無須進行硬件方面的調整。

　　3.2.4 地圖匹配技術

　　車輛在電子地圖上顯示的行駛路徑是定位技術測得的。然而，不論是哪種定位技術都有其無法克服的局限性。無線電導航技術依賴于外界設備，其定位精度或受無線網(wǎng)覆蓋面積的限制（如Sign PoST）或受定位信號精確度的影響（如GPS）；推測導航技術的精確度則受方向探測儀及車速脈沖設備精度的限制，且其存在積累誤差，即隨著車輛行駛距離的增加，誤差越來越大。由于這些誤差，使車輛的位置出現(xiàn)偏差。地圖匹配是一項確定車輛在地圖上位置的技術，其糾錯技術恰恰避免了定位技術無法克服的局限性。地圖匹配指GPS 接收機測量到其載體當前的有關位置信息后，再從電子地圖數(shù)據(jù)庫中獲取有關信息，然后通過匹配算法得到載體位置等的偏差信息，并對其進行實時修正，從而準確顯示車輛的位置?？梢哉f，地圖匹配算法的效果直接關系到車輛定位的精度，地圖匹配技術是決定導航產品最終性能的關鍵技術，因此，GPS、電子地圖相結合并通過地圖的匹配算法實現(xiàn)的組合導航技術是一種比較理想的導航方式。

　　4.車載GPS 系統(tǒng)的應用實例

　　GPS 技術在汽車導航和交通管理工程中的研究與應用目前在中國剛剛起步，而國外在這方面的研究早已開始并已取得了一定的成果。加拿大卡爾加里大學設計了一種動態(tài)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一臺捷聯(lián)式慣性系統(tǒng)，兩臺GPS 接收機和一臺微機，可測定已有道路的線形參數(shù)，為道路管理系統(tǒng)服務。美國研制了應用于城市的道路交通管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用GPS 和GIS 建立道路數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中包含有各種現(xiàn)時的數(shù)據(jù)資料，如道路的準確位置、路面狀況、沿路設施等，該系統(tǒng)于1995年正式運行，為城市道路交通管理起到重要作用。近些年來國外研制了各種用于車輛誘導的系統(tǒng)，其中車輛位置的實時確定以往主要依據(jù)慣性測量系統(tǒng)以及車輪傳感器，隨著GPS 的發(fā)展和所顯示出的優(yōu)越性，有取代前兩種方法的趨勢。用于城市車輛誘導的GPS 定位一般是在城市中設立一個基準站，車載GPS 實時接收基準站發(fā)射的信息，經過差分處理便可計算出實時位置，把目前所處位置與所要到達的目標在道路網(wǎng)中進行優(yōu)化計算，便可在道路電子地圖上顯示出到達目標的最優(yōu)化路線，為公安、消防、搶修、急救等車輛服務。

　　4.1 私用車輛的外出旅行

　　GPS 多功能車載導航系統(tǒng)對于外出旅行的私用車輛的益處是顯而易見的，通過這套系統(tǒng)，用戶可以在完全陌生的環(huán)境下通過路徑引導和規(guī)劃系統(tǒng)，找到正確的行駛線路，同時，通過該系統(tǒng)自帶的電子地圖，用戶也可以查詢到自己所需要的旅館、停車場等信息。在外出度假時，該系統(tǒng)所具有的娛樂功能也可以為用戶提供所需的娛樂服務。

　　4.2 運輸車隊的管理和調度

　　對一個運輸車隊而言，進行貨物運輸或者旅行客運的合理調度是提高車隊運營效率，節(jié)約能源的重要關鍵。車輛可以通過車載導航系統(tǒng)動態(tài)調整行車路線，按最佳路線行駛，從而可以節(jié)約能源，同時，交通中心可以實時跟蹤車輛的位置，按具體的運輸任務來安排合適的車輛，從而可以減少車輛的空運率，提高車隊運營效率，而且，車載導航系統(tǒng)還可以將每一輛車所經過的路線存儲起來供管理部門查詢，這樣，管理部門可以直接便了管理。

　　4.3 對車輛的安全防護

　　車載導航系統(tǒng)對車輛的安全防護體現(xiàn)在兩個方面：一是車輛在被非法啟動的情況下，會發(fā)出聲光信號，威懾犯罪分子，提醒他人車輛被盜；二是車載系統(tǒng)會將被盜警示信息通知車主和交通中心，同時將車輛位置顯示在中心控制臺，使警務人員能在最短的時間內找到被盜車輛，將犯罪分子抓獲。

　　4.4 公交車輛的調度和管理

　　城市規(guī)模的日益擴大和公共交通的快速發(fā)展，一方面使得客流量日益擴大，車輛增加，車次增多；另一方面導致交通擁擠、車輛增加、行車速度下降、行車間隔不均勻，經常出現(xiàn)串車和車次間隔加大的現(xiàn)象，增大了調度工作的難度。造成這種狀況的主要原因是調度人員無法實時了解道路交通狀況，難以及時采取有效的調整措施。利用車載導航系統(tǒng)對公交車輛進行監(jiān)督管理，可以根據(jù)動態(tài)交通信息，實時調整車次，改善公交車輛的運營效率，擺脫公交調度的落后狀況。

　　4.5 在120 急救中的應用

　　在醫(yī)療救護領域，搶救病人最關鍵的因素是能在最短的時間內到達現(xiàn)場。一般情況下，人們通過撥打120 救護專線來取得幫助。但是，這里存在一個關鍵問題，那就是打120 電話要花費一些時間，容易延誤搶救時間，然后，120 車趕赴現(xiàn)場也需要一段時間，這個時間是在整個過程中最長的，假如路線恒定，那么耽誤時間最長的是尋找現(xiàn)場的時間（假設120 車可以順利的闖紅燈）。所以為縮短路程時間，120 車必須在出發(fā)之前就精確的知道病人地點，如果能實現(xiàn)達到這個效果，對當事人和醫(yī)院來說都是有利的。因此建立一套能夠對急救車輛進行實時統(tǒng)一指揮調度的系統(tǒng)顯得十分有必要。

　　根據(jù)很多城市的急救中心報告，在其急救車上裝備GPS 衛(wèi)星定位調度系統(tǒng)之后，從接到急救電話至救護車趕到病人所在地所花費的時間平均可縮短2 分鐘，這主要是由于醫(yī)院從調度中心的GPS 系統(tǒng)上可很快找到離病人最近的可救護車以及可以指揮救護車以最快的速度找到病人?？梢韵胂?，對那些被緊急搶救的病人來講，這2 分鐘是多么寶貴！這套車載GPS 系統(tǒng)安裝后最重要的就是便于及時與病人家屬溝通。

　　以前遇到遠一點的病人，車子發(fā)出了，可是對方不知道什么時候能到，中心也無法知曉路上狀況，結果車到了，病人卻自己打的到醫(yī)院。跑空車這種情況經常發(fā)生，為工作帶來很大不便?，F(xiàn)在中心能隨時告知病人家屬急救車在什么位置，多久能到達，為病人的及時搶救贏得了時間，也讓病人家屬減緩等待的焦急心情。

　　4.6 GPS 在公安警車中的應用

　　當監(jiān)控中心收到報警信息時，觸動聲光報警器，可起提示作用，系統(tǒng)軟件彈出報警車輛的具體信息，包括：車主的姓名、性別、聯(lián)系電話、所屬公司等信息，接警員通過以上車主信息與該車輛聯(lián)系，進行警情確認，如果是假警情，解除警情；如果是真警情，通知主管部門，報知該公司車輛出現(xiàn)警情，并對110 指揮中心進行報警，指揮中心可根據(jù)報警車輛位置予以快速出擊，在盡量少的時間內解除警情，解警后反饋到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心警情記錄存檔（報警時間，處警記錄等），更新數(shù)據(jù)庫。

　　4.7 在出租車中的應用

　　城市出租車輛是一個城市對外最直接的窗口，服務水平、服務效率直接反應這個城市的現(xiàn)代化水平。在交通行業(yè)隨著汽車業(yè)的突飛猛進的發(fā)展，道路和車輛數(shù)發(fā)生了極大矛盾，我國政府在繼續(xù)加快基礎設施建設的同時，已提出將智能交通（ITS）作為我國未來交通運輸領域發(fā)展的重要方向優(yōu)先給予重點支持。

　　另外近年來，針對出租車行業(yè)的搶劫惡性刑事案件呈不斷上升趨勢，給出租車駕乘人員及其家庭造成了許多重大損失與威脅。各地公安機關也不斷使用高新技術，實現(xiàn)科技強警。

　　保障出租車行業(yè)從業(yè)人員及車輛安全，每年都有針對出租車的惡性刑事案件，此系統(tǒng)可以最大限度保障從業(yè)人員的人身安全，并能夠為公安機關打擊犯罪，提高破案率提供有力的幫助和支持，中心電腦可存儲所有出租車行駛路線軌跡、時間、上下客記錄為公安部門破案提供直接的線索和依據(jù)，提高社會的治安水平，震懾犯罪分子的犯罪企圖，起到防患于未然的作用，為建立穩(wěn)定和諧社會加強社會治安做出直接的貢獻，具有重大的社會意義。

　　5.結論

　　GPS 測量以其便捷性、無需過多人工干預、減少人為誤差等優(yōu)勢在測量領域越來越受到人們的普遍歡迎。車輛導航系統(tǒng)作為一項將GPS、電子地圖和通信技術融為一體的高科技成果，必須在科技發(fā)展、技術進步與用戶使用中結合實際情況不斷創(chuàng)新和完善。車輛導航系統(tǒng)極具研究意義和研究價值，因此市場潛力和發(fā)展前景是不言而喻的。

　　GPS 除了應用于車輛導航和軍事應用外，更廣泛的應用到各個行業(yè)，如：GPS 地震監(jiān)測系統(tǒng)、GPS 地球動力學、GPS 氣象學、GPS 捕漁業(yè)、GPS 放牧、GPS 登山旅游等方而將形成GPS 普及應用的繽紛五彩世界。

　　隨著科學技術突飛猛進的發(fā)展，GPS 將成為人們日常生活中不可缺少的工具。