GPS在車(chē)輛定位導航系統中的應用

引言

　　近年來(lái)，隨著(zhù)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，機動(dòng)車(chē)的增長(cháng)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（ITS）已成為解決交通問(wèn)題的唯一行之有效的出路。利用全球定位系統（GPS）的城市車(chē)輛定位技術(shù)作為ITS 的關(guān)鍵技術(shù)之一，借助電子地圖等其他手段，可依據城市道路擁擠狀況和運輸的最佳線(xiàn)路，選擇運輸途徑，從而避免運輸道路選擇的盲目性，提高了城市車(chē)輛的調度和管理水平，減少車(chē)輛行駛時(shí)間和油耗，從而保證城市道路系統負荷的均勻性，達到改善交通狀況的目的。車(chē)輛定位與導航可采用各種技術(shù)手段進(jìn)行，但其中車(chē)輛精確定位的實(shí)現是最重要，也最困難，花費最高的。但自從GPS 應用于車(chē)輛定位與導航中，情況發(fā)生了劃時(shí)代的革命性變化。下面就以GPS 為切入點(diǎn)介紹它在車(chē)輛定位與導航中的應用。

　　1.緒論

　　自六十年代以來(lái)，許多國家即開(kāi)始對導航和定位技術(shù)的研究。開(kāi)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(shù)。隨著(zhù)現代技術(shù)的不斷發(fā)展，導航和定位系統的器件開(kāi)始向小型化、輕型化、低廉化方向發(fā)展。于是，導航和定位系統開(kāi)始逐步進(jìn)入消費市場(chǎng)，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(diǎn)引導到目的地的技術(shù)和方法稱(chēng)為導航；而車(chē)輛導航系統即是測量并解算出車(chē)輛的瞬時(shí)運動(dòng)狀態(tài)和位置，提供給駕駛員或自動(dòng)駕駛儀以實(shí)現車(chē)輛的正確操縱或控制。車(chē)輛導航系統發(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（ERGS），此系統是一種具有無(wú)線(xiàn)路徑引導能力的導航系統，它以短距離指向標網(wǎng)絡(luò )作為其基本的技術(shù)起點(diǎn)而形成的中央動(dòng)態(tài)路徑引導功能的導航系統；但是，由于資金有限，此系統最終沒(méi)有實(shí)現。

　　到了八十年代，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)電通訊技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，歐、美、日先后開(kāi)發(fā)了CARIN 系統、EVA 系統、LOREN 系統、OMEGA 系統、RACS 系統和AMTICS 系統等。

　　進(jìn)入九十年代后，衛星定位技術(shù)的不斷完善，美國和前蘇聯(lián)分別完善了其衛星定位系統，使GPS 系統和GOLLNAX 系統開(kāi)始真正的進(jìn)入民用市場(chǎng)，并使以此系統為依托的車(chē)輛導航系統得以巨大發(fā)展。

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

　　2. GPS 概述

　　2.1 GPS 系統簡(jiǎn)介

　　全球定位系統，簡(jiǎn)稱(chēng)GPS，是沿地球軌道運行的24 顆導航衛星的星座集合。GPS 接收機就是利用這些衛星所發(fā)送的精確的時(shí)間和位置信息來(lái)進(jìn)行定位。該系統可提供地球上所有點(diǎn)的三維坐標。

　　美國五角大樓利用GPS 提供的導航數據以應付險峻地形和各種突發(fā)情況，同時(shí)它也控制著(zhù)此系統。盡管GPS 主要用于軍事目的，但是它在民用和商業(yè)領(lǐng)域中的價(jià)值不斷的被認識。GPS 衛星也因此發(fā)送兩種代碼：一種只供軍方使用的加密代碼PPS（也稱(chēng)P 碼），另一種是供民間使用的標準定仁明良務(wù)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(kāi)始，取消SA 政策，使民用C/A 碼的定位精度大大提高。

　　GPS 系統主要是由三部分組成：（1）GPS 衛星（空間部分），（2）地面監控系統，（3）GPS 接收機（用戶(hù)部分）。

　　2.2 GPS 定位的基本原理

　　GPS 定位的基本原理是根據高速運動(dòng)的衛星瞬間位置作為己知的起算數據，采用空間距離后方交會(huì )的方法，確定待測點(diǎn)的位置。

　　利用GPS 進(jìn)行定位是以GPS 衛星和用戶(hù)接收機天線(xiàn)之間的距離（或距離差）為基礎，并根據已知的衛星瞬時(shí)坐標來(lái)確定用戶(hù)接收機所對應的點(diǎn)位，即待定點(diǎn)的三維坐標（x，y，z），其關(guān)鍵是測定用戶(hù)接收機天線(xiàn)至GPS 衛星之間的距離。GPS 定位方式主要有絕對定位和相對定位兩種。

　　3.GPS 在車(chē)輛定位與導航中的應用

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

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

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

　　3.1 GPS 車(chē)輛導航系統的發(fā)展

　　GPS 全球定位技術(shù)作為一項高新技術(shù)，以前國內主要應用于鐵路、空運及海運領(lǐng)域，隨著(zhù)GPS 全球定位系統技術(shù)日趨成熟，該技術(shù)開(kāi)始轉向公路運輸領(lǐng)域。目前，GPS 車(chē)載定位系統主要用于公交、出租、客運等行業(yè)。通過(guò)GPS 定位技術(shù)可以很好地解決公路交通擁擠的現象，GPS 車(chē)輛定位系統是借助于GPS 全球定位系統為機動(dòng)車(chē)輛提供定位信息的系統。GPS 系統可以提供全球覆蓋、全天候、免費的高精度標準授時(shí)/ 導航定位服務(wù)，通過(guò)GPS 接收機可以實(shí)時(shí)地獲得經(jīng)緯度信息進(jìn)行確定經(jīng)緯度位置和速度、時(shí)間等信息車(chē)輛定位系統將獲得的一系列信息進(jìn)行處理以確定車(chē)輛的具體位置。日本，豐田、東芝、索尼等在轎車(chē)導航系統方面的研究處于世界領(lǐng)先地位。1991 年，東芝公司轎車(chē)導航系統，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(chē)導航系統，將一個(gè)8 通道的GPS 接收機與CD- ROM格式的地圖及信息數據庫結合在一起，并能接收調頻無(wú)線(xiàn)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(kāi)發(fā)自己的導航信息系統，拓展導航信息服務(wù)市場(chǎng)。在美國，克萊斯勒公司研制了一種基于GPS 的車(chē)輛導航系統，該系統在失去衛星信號后，可用羅經(jīng)和記程計工作，保持車(chē)輛繼續導航。威斯汀豪斯公司使巴黎的公共汽車(chē)率先使用車(chē)輛調度和導航系統。

　　3.2 GPS 與車(chē)輛導航系統

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

　　雖然汽車(chē)是人們日常生活中的一部分，但是，擁有小汽車(chē)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(xiàn)上行駛的，與此不同的是，小汽車(chē)和卡車(chē)司機需要知道到達目的地的路線(xiàn)以及何處可以停車(chē)。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(shí)間。

　　車(chē)輛導航系統就像一個(gè)自信的領(lǐng)航員坐在汽車(chē)的副駕駛位置上，指引司機一點(diǎn)也不用費勁即可按時(shí)到達目的地。即使有了導航系統，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(lái)，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(gè)方向行駛，可以到達目的地。有的導航系統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。導航系統的另一個(gè)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(chǎng)和其他娛樂(lè )場(chǎng)所等當地的道路信息集合在一起。

　　所謂GPS 車(chē)輛導航系統，就是利用接收GPS 信號對機動(dòng)目標進(jìn)行監控和定位，并根據航跡情況對其運動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化和指導的系統。使用車(chē)用導航系統可帶來(lái)縮短行車(chē)時(shí)間、快速到達目的地、減少能源消耗、保障行車(chē)安全等多方面的利益。

　　車(chē)輛GPS 定位導航系統的正常運轉至少需要覆蓋全球的GPS 衛星系統、輕便可靠的GPS 接收機、快速強大的運算系統、覆蓋面廣內容詳實(shí)的電子地圖以及無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò )等附屬設施。

　　3.2.1 車(chē)輛定位技術(shù)

　　車(chē)輛定位技術(shù)是整個(gè)車(chē)輛導航系統的基礎，系統中幾乎所有的功能都以車(chē)輛定位的精確度為前提。車(chē)輛定位的精確度和實(shí)時(shí)性直接關(guān)系到一個(gè)智能交通系統的實(shí)用價(jià)值和整體性能。由于車(chē)輛定位技術(shù)在車(chē)輛導航系統中特殊且有重要的作用，車(chē)輛定位技術(shù)一直是各種車(chē)輛導航系統研究和開(kāi)發(fā)機構的重點(diǎn)課題。GPS 全球定位系統是由美國提出并實(shí)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(wù)，但隨著(zhù)近年來(lái)GPS 技術(shù)的民用化，它逐漸成為了一個(gè)全球性的工具。在陸地上的移動(dòng)信息系統方面，GPS 逐步被應用到安全保障、車(chē)輛導航領(lǐng)域。GPS 定位精度高、實(shí)時(shí)性好，基本上能夠滿(mǎn)足未來(lái)ITS 中車(chē)輛導航系統的精度要求。因此，基于GPS 的車(chē)輛自動(dòng)定位/ 導航與管理系統的開(kāi)發(fā)與應用正日益受到國內外各部門(mén)的高度重視，并將顯示出巨大的經(jīng)濟和社會(huì )效益。

　　3.2.2 GPS 車(chē)輛定位系統硬件設計

　　車(chē)載設備的具體工作環(huán)境要求GPS 車(chē)輛定位系統的體積要盡可能小，可靠性要盡可能高。因此，系統硬件核心部分適宜選擇某種嵌入式計算機。隨著(zhù)計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，在產(chǎn)品中嵌入微機作為控制器已開(kāi)始隨處可見(jiàn)。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(kāi)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(zhù)能夠大幅度地降低開(kāi)發(fā)成本、減小風(fēng)險及縮短開(kāi)發(fā)周期，而且減少了許多令人頭疼的系統維護和技術(shù)支持。PC/104計算機可以滿(mǎn)足以上要求，它體積小、集成度高，提供與PC 總線(xiàn)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(wèn)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(chǎn)品部件的數量；由模塊構成的系統，直接疊裝，無(wú)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提供了種類(lèi)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。