GPS車輛定位系統(tǒng)設計

　　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。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)。

　　在九十年代，以GPS 為基礎的導航系統(tǒng)不斷地完善，在國內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)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(jīng)緯度信息進行確定經(jīng)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(jié)合在一起，并能接收調(diào)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(jīng)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(diào)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(jīng)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?nèi)粘Ｉ钪械囊徊糠郑?，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(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)外各部門的高度重視，并將顯示出巨大的經(jīng)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(chǎn)品中嵌入微機作為控制器已開始隨處可見。由于PC 體系結(jié)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(jié)構更豐富、更便宜，將PC 體系結(jié)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(jié)構、硬件和軟件上的完全兼容，而且結(jié)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(jié)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(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(jié)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(jié)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(diào)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。可以說，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(chǎn)品最終性能的關鍵技術，因此，GPS、電子地圖相結(jié)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。