簡(jiǎn)單介紹汽車(chē)GPS導航系統工作原理及主要應用

什么是汽車(chē)GPS導航系統呢?簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它是以全球24顆定位人造衛星為基礎，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(xiàn)電導航定位系統(GPS原理)。那么，它又是如何工作的呢?通常我們所說(shuō)的汽車(chē)GPS導航系統由三部分構成：

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

二是空間部分，由24顆衛星組成，分布在6個(gè)軌道平面。

三是用戶(hù)裝置部分，由GPS接收機和衛星天線(xiàn)組成?，F在民用的定位精度可達10米內(GPS導航儀)。

汽車(chē)GPS導航系統的基本工作原理

首先，測量出已知位置的衛星到用戶(hù)接收機之間的距離，然后綜合多顆衛星的數據就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的，衛星的位置可以根據星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛星星歷中查出。而用戶(hù)到衛星的距離則通過(guò)記錄衛星信號傳播到用戶(hù)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(hù)與衛星之間的真實(shí)距離，而是偽距(PR)：當GPS衛星正常工作時(shí)，會(huì )不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機碼(簡(jiǎn)稱(chēng)偽碼)發(fā)射導航電文。

GPS系統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，重復周期一毫秒，碼間距1微秒，相當于300m;P碼頻率10.23MHz，重復周期266.4天，碼間距0.1微秒，相當于30m。而Y碼是在P碼的基礎上形成的，保密性能更佳。導航電文包括衛星星歷、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。它是從衛星信號中解調制出來(lái)，以50b/s調制在載頻上發(fā)射的。導航電文每個(gè)主幀中包含5個(gè)子幀每幀長(cháng)6s。

前三幀各10個(gè)字碼;每三十秒重復一次，每小時(shí)更新一次。后兩幀共15000b。導航電文中的內容主要有遙測碼、轉換碼、第1、2、3數據塊，其中最重要的則為星歷數據。當用戶(hù)接受到導航電文時(shí)，提取出衛星時(shí)間并將其與自己的時(shí)鐘做對比便可得知衛星與用戶(hù)的距離，再利用導航電文中的衛星星歷數據推算出衛星發(fā)射電文時(shí)所處位置，用戶(hù)在WGS-84大地坐標系中的位置速度等信息便可得知。

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

GPS接收機可接收到可用于授時(shí)的準確至納秒級的時(shí)間信息;用于預報未來(lái)幾個(gè)月內衛星所處概略位置的預報星歷;用于計算定位時(shí)所需衛星坐標的廣播星歷，精度為幾米至幾十米(各個(gè)衛星不同，隨時(shí)變化);以及GPS系統信息，如衛星狀況等。

GPS接收機對碼的量測就可得到衛星到接收機的距離，由于含有接收機衛星鐘的誤差及大氣傳播誤差，故稱(chēng)為偽距。對0A碼測得的偽距稱(chēng)為UA碼偽距，精度約為20米左右，對P碼測得的偽距稱(chēng)為P碼偽距，精度約為2米左右。

GPS接收機對收到的衛星信號，進(jìn)行解碼或采用其它技術(shù)，將調制在載波上的信息去掉后，就可以恢復載波。嚴格而言，載波相位應被稱(chēng)為載波拍頻相位，它是收到的受多普勒頻移影響的衛星信號載波相位與接收機本機振蕩產(chǎn)生信號相位之差。

一般在接收機鐘確定的歷元時(shí)刻量測，保持對衛星信號的跟蹤，就可記錄下相位的變化值，但開(kāi)始觀(guān)測時(shí)的接收機和衛星振蕩器的相位初值是不知道的，起始歷元的相位整數也是不知道的，即整周模糊度，只能在數據處理中作為參數解算。

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

在GPS觀(guān)測量中包含了衛星和接收機的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應等誤差，在定位計算時(shí)還要受到衛星廣播星歷誤差的影響，在進(jìn)行相對定位時(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，雙頻接收機可以根據兩個(gè)頻率的觀(guān)測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機間距離較遠時(shí)(大氣有明顯差別)，應選用雙頻接收機。

汽車(chē)GPS導航系統關(guān)鍵指標介紹

1、跟蹤靈敏度。汽車(chē)GPS導航系統的跟蹤靈敏度這一參數對使用者來(lái)說(shuō)是非常重要的，因為當使用者身在城市峽谷、隧道、地下停車(chē)場(chǎng)等有遮擋的地方，GPS衛星信號的強度會(huì )大大降低，如果產(chǎn)品的跟蹤靈敏度這一指標較差，就會(huì )出現丟失衛星信號、失去位置信息的情況。

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

3、位置更新率。GB/T19392-2003中規定位置更新率應小于2s。該參數是考核汽車(chē)GPS導航系統以一定速度連續移動(dòng)的狀態(tài)下，位置數據刷新的間隔時(shí)間。

4、捕獲?？己似?chē)GPS導航系統以一定速度連續移動(dòng)的狀態(tài)下，從啟動(dòng)到捕獲的時(shí)間，GB/T19392-2003中規定系統首次裝車(chē)時(shí)，實(shí)現捕獲過(guò)程需要車(chē)輛行駛的距離不大于20km，在車(chē)輛行駛中從啟動(dòng)到捕獲的時(shí)間應小于5min。

5、效率。選取起點(diǎn)與終點(diǎn)距離在50km-500km范圍內的路線(xiàn)，進(jìn)行路線(xiàn)計算，從開(kāi)始路線(xiàn)計算到開(kāi)始路線(xiàn)引導的時(shí)間應不大于1min;目標檢索過(guò)程中汽車(chē)GPS導航系統對用戶(hù)操作的響應時(shí)間應不大于1min。

6、電磁干擾。這是消費者容易忽視的問(wèn)題，由于車(chē)輛里集中了大量的電子設備，因此GPS導航系統產(chǎn)生的電磁干擾應該控制在一定限度內，以免影響車(chē)輛內部的其他電子設備工作。

汽車(chē)GPS導航系統的主要應用

汽車(chē)GPS導航系統操作的簡(jiǎn)便性是設計者追求的目標，實(shí)際上這也涉及到一個(gè)安全的問(wèn)題，因為駕車(chē)者不允許一邊開(kāi)車(chē)一邊看電子地圖。因此，設計者都考慮針對汽車(chē)導航系統應用需求開(kāi)發(fā)語(yǔ)音及語(yǔ)音識別技術(shù)，使用者通過(guò)語(yǔ)音代替按鍵操作發(fā)出指令，使導航系統完成相應的工作，導航系統通過(guò)語(yǔ)音代替圖像文字，向駕車(chē)者發(fā)出信號或指令。例如豐田威馳導航系統就是一種帶有語(yǔ)音技術(shù)的導航系統，在轉彎路口等地方可以用語(yǔ)音提示。

汽車(chē)GPS導航系統的推廣與應用關(guān)鍵是電子地圖。用戶(hù)購買(mǎi)裝備有導航系統的車(chē)輛時(shí)，還能得到一張刻錄了電子地圖的CD-ROM光盤(pán)。用戶(hù)在開(kāi)啟車(chē)輛導航系統之后,必須把這張CD-ROM插入導航設備的光盤(pán)驅動(dòng)器中，系統需要道路信息時(shí)都會(huì )到CD-ROM上去獲取。例如豐田威馳DVD導航系統就是這樣，它在副駕駛座下面有一個(gè)DVD驅動(dòng)器，專(zhuān)門(mén)讀取電子地圖DVD光盤(pán)。

隨著(zhù)城鄉建設及道路變化，電子地圖光盤(pán)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確無(wú)誤。針對這種情況，汽車(chē)導航系統又需要增加一定的輔助支援系統。

目前在應用汽車(chē)導航系統比較廣泛的地區(例如歐美和日本)，汽車(chē)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，通過(guò)GSM移動(dòng)通訊形式發(fā)短消息或電臺發(fā)送的最新的交通信息提供給汽車(chē)上的導航設備，可以對汽車(chē)上電子地圖的信息隨時(shí)進(jìn)行修正。

我國對于地圖的出版有嚴格的規定，對于電子地圖也不例外。因為它不同于一般的電子出版物，其標準性、政策性、保密性、技術(shù)性較強，是國家版圖、行政區劃界線(xiàn)的科學(xué)表達，因此電子地圖一定要經(jīng)國家測繪局審核后才能出版。目前威馳轎車(chē)的DVD語(yǔ)音電子導航系統，也特別注明電子導航系統是“經(jīng)國家測繪局的支持和批準”。為了適應汽車(chē)自動(dòng)導航設備需要根據行駛區域、路線(xiàn)、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(chē)導航系統所使用的地圖必須是以向量方式記錄的。

目前國內一些汽車(chē)運營(yíng)企業(yè)安裝的“汽車(chē)GPS導航系統”，主要功能是調度與監測，與前面說(shuō)明的汽車(chē)導航系統不同，這些系統中的車(chē)輛上除GPS天線(xiàn)和接收機外，并不需要車(chē)輛自主導航設備(包括電子地圖)，車(chē)輛通過(guò)車(chē)載通訊設備和公司保持聯(lián)系。因為這類(lèi)系統的導航過(guò)程其實(shí)是人工完成，因此還不能算是汽車(chē)GPS自動(dòng)導航系統。

總結

隨著(zhù)汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)GPS導航系統將會(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)單對其組成、工作原理、關(guān)鍵指標以及應用等基礎知識作了歸納總結。