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标题: 简单介绍汽车GPS导航系统工作原理及主要应用 [打印本页]

作者: forsuccess 时间: 2012-10-17 23:31 标题: 简单介绍汽车GPS导航系统工作原理及主要应用

什么是汽车GPS导航系统呢?简单来说，它是以全球24颗定位人造卫星为基础，向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统(GPS原理)。那么，它又是如何工作的呢?通常我们所说的汽车GPS导航系统由三部分构成：
一是地面控制部分，由主控站、地面天线、滥测站及通讯辅助系统组成。
二是空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面。
三是用户装置部分，由GPS接收机和卫星天线组成。现在民用的定位精度可达10米内(GPS导航仪)。
汽车GPS导航系统的基本工作原理
首先，测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距(PR)：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码(简称伪码)发射导航电文。
GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m

码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。
前三帧各10个字码;每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。
可见汽车GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。
GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息;用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历;用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米(各个卫星不同，随时变化);以及GPS系统信息，如卫星状况等。
GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。
GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。
一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。
相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值。
在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时(大气有明显差别)，应选用双频接收机。
汽车GPS导航系统关键指标介绍
1、跟踪灵敏度。汽车GPS导航系统的跟踪灵敏度这一参数对使用者来说是非常重要的，因为当使用者身在城市峡谷、隧道、地下停车场等有遮挡的地方，GPS卫星信号的强度会大大降低，如果产品的跟踪灵敏度这一指标较差，就会出现丢失卫星信号、失去位置信息的情况。
2、定位精度。GB/T19392-2003中规定系统定位精度应小于50m(2DRMS量度)。定位精度差的产品在路网相对密集的城市地区，GPS导航就显得较为困难，以致导航仪识别不了“掉头”、“左右车道”、“高架桥”、“立交分道”等等，这样的导航是非常严重的缺陷，它会在使用者最需要导航的复杂路段做出错误的引导。
3、位置更新率。GB/T19392-2003中规定位置更新率应小于2s。该参数是考核汽车GPS导航系统以一定速度连续移动的状态下，位置数据刷新的间隔时间。
4、捕获。考核汽车GPS导航系统以一定速度连续移动的状态下，从启动到捕获的时间，GB/T19392-2003中规定系统首次装车时，实现捕获过程需要车辆行驶的距离不大于20km，在车辆行驶中从启动到捕获的时间应小于5min。
5、效率。选取起点与终点距离在50km-500km范围内的路线，进行路线计算，从开始路线计算到开始路线引导的时间应不大于1min;目标检索过程中汽车GPS导航系统对用户操作的响应时间应不大于1min。
6、电磁干扰。这是消费者容易忽视的问题，由于车辆里集中了大量的电子设备，因此GPS导航系统产生的电磁干扰应该控制在一定限度内，以免影响车辆内部的其他电子设备工作。
汽车GPS导航系统的主要应用
汽车GPS导航系统操作的简便性是设计者追求的目标，实际上这也涉及到一个安全的问题，因为驾车者不允许一边开车一边看电子地图。因此，设计者都考虑针对汽车导航系统应用需求开发语音及语音识别技术，使用者通过语音代替按键操作发出指令，使导航系统完成相应的工作，导航系统通过语音代替图像文字，向驾车者发出信号或指令。例如丰田威驰导航系统就是一种带有语音技术的导航系统，在转弯路口等地方可以用语音提示。
汽车GPS导航系统的推广与应用关键是电子地图。用户购买装备有导航系统的车辆时，还能得到一张刻录了电子地图的CD-ROM光盘。用户在开启车辆导航系统之后,必须把这张CD-ROM插入导航设备的光盘驱动器中，系统需要道路信息时都会到CD-ROM上去获取。例如丰田威驰DVD导航系统就是这样，它在副驾驶座下面有一个DVD驱动器，专门读取电子地图DVD光盘。
随着城乡建设及道路变化，电子地图光盘也会定期更换。但是，就是最新版的电子地图也不能保证准确无误。针对这种情况，汽车导航系统又需要增加一定的辅助支援系统。
目前在应用汽车导航系统比较广泛的地区(例如欧美和日本)，汽车公司或其他商业公司建立的呼叫中心或公共交通信息电台，通过GSM移动通讯形式发短消息或电台发送的最新的交通信息提供给汽车上的导航设备，可以对汽车上电子地图的信息随时进行修正。
我国对于地图的出版有严格的规定，对于电子地图也不例外。因为它不同于一般的电子出版物，其标准性、政策性、保密性、技术性较强，是国家版图、行政区划界线的科学表达，因此电子地图一定要经国家测绘局审核后才能出版。目前威驰轿车的DVD语音电子导航系统，也特别注明电子导航系统是“经国家测绘局的支持和批准”。为了适应汽车自动导航设备需要根据行驶区域、路线、自动或人工改变地图比例尺的需求(即电子地图放大或缩小)，所以，汽车导航系统所使用的地图必须是以向量方式记录的。
目前国内一些汽车运营企业安装的“汽车GPS导航系统”，主要功能是调度与监测，与前面说明的汽车导航系统不同，这些系统中的车辆上除GPS天线和接收机外，并不需要车辆自主导航设备(包括电子地图)，车辆通过车载通讯设备和公司保持联系。因为这类系统的导航过程其实是人工完成，因此还不能算是汽车GPS自动导航系统。
总结
随着汽车电子技术的发展，汽车GPS导航系统将会使得人们的生活更加完善与便捷，小编通过搜集整理，简单对其组成、工作原理、关键指标以及应用等基础知识作了归纳总结。

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