GPS車輛定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.緒論

　　自六十年代以來，許多國家即開始對導(dǎo)航和定位技術(shù)的研究。而車輛導(dǎo)航系統(tǒng)即是測量并解算出車輛的瞬時(shí)運(yùn)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(xiàn)車輛的正確操縱或控制。車輛導(dǎo)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(dǎo)系統(tǒng)（ERGS），此系統(tǒng)是一種具有無線路徑引導(dǎo)能力的導(dǎo)航系統(tǒng)，它以短距離指向標(biāo)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(dǎo)功能的導(dǎo)航系統(tǒng)；但是，由于資金有限，此系統(tǒng)最終沒有實(shí)現(xiàn)。

　　在九十年代，以GPS 為基礎(chǔ)的導(dǎo)航系統(tǒng)不斷地完善，在國內(nèi)外都進(jìn)入了實(shí)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(dǎo)航技術(shù)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(dǎo)航和報(bào)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(yùn)行的24 顆導(dǎo)航衛(wèi)星的星座集合。GPS 接收機(jī)就是利用這些衛(wèi)星所發(fā)送的精確的時(shí)間和位置信息來進(jìn)行定位。該系統(tǒng)可提供地球上所有點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

　　美國五角大樓利用GPS 提供的導(dǎo)航數(shù)據(jù)以應(yīng)付險(xiǎn)峻地形和各種突發(fā)情況，同時(shí)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(lǐng)域中的價(jià)值不斷的被認(rèn)識(shí)。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(biāo)準(zhǔn)定仁明良務(wù)代碼SPS（C/A 碼）。美國政府己于21 世紀(jì)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(jī)（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(yùn)動(dòng)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(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(wèi)星和用戶接收機(jī)天線之間的距離（或距離差）為基礎(chǔ)，并根據(jù)已知的衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)來確定用戶接收機(jī)所對應(yīng)的點(diǎn)位，即待定點(diǎn)的三維坐標(biāo)（x，y，z），其關(guān)鍵是測定用戶接收機(jī)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(dǎo)航中的應(yīng)用

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

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

　　GPS 車輛定位與導(dǎo)航系統(tǒng)，以其精確定位的易實(shí)現(xiàn)性、相對成本的低廉性、設(shè)計(jì)與安裝的相對獨(dú)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(xué)GPS 實(shí)驗(yàn)室在其中也做出了開創(chuàng)性的工作。

　　3.1 GPS 車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展

　　GPS 全球定位技術(shù)作為一項(xiàng)高新技術(shù)，以前國內(nèi)主要應(yīng)用于鐵路、空運(yùn)及海運(yùn)領(lǐng)域，隨著GPS 全球定位系統(tǒng)技術(shù)日趨成熟，該技術(shù)開始轉(zhuǎn)向公路運(yùn)輸領(lǐng)域。目前，GPS 車載定位系統(tǒng)主要用于公交、出租、客運(yùn)等行業(yè)。通過GPS 定位技術(shù)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(jī)動(dòng)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(fèi)的高精度標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)/ 導(dǎo)航定位服務(wù)，通過GPS 接收機(jī)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)間等信息車輛定位系統(tǒng)將獲得的一系列信息進(jìn)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(dǎo)航系統(tǒng)方面的研究處于世界領(lǐng)先地位。1991 年，東芝公司轎車導(dǎo)航系統(tǒng)，采用一種可操作的電視GPS 接收機(jī)，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(dǎo)航系統(tǒng)，將一個(gè)8 通道的GPS 接收機(jī)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(dǎo)航信息系統(tǒng)，拓展導(dǎo)航信息服務(wù)市場。在美國，克萊斯勒公司研制了一種基于GPS 的車輛導(dǎo)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(jì)工作，保持車輛繼續(xù)導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)。

　　3.2 GPS 與車輛導(dǎo)航系統(tǒng)

　　GPS 在ITS 中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在車輛導(dǎo)航上。在GPS 的諸項(xiàng)應(yīng)用中，車輛定位導(dǎo)航應(yīng)用發(fā)展最快，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。車輛應(yīng)用已躍居GPS 各應(yīng)用之首。

　　雖然汽車是人們?nèi)粘Ｉ钪械囊徊糠?，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(jī)需要知道到達(dá)目的地的路線以及何處可以停車。如果道路網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜，那么，司機(jī)就很容易迷路，這種情況，既令人焦急，又浪費(fèi)寶貴的時(shí)間。

　　車輛導(dǎo)航系統(tǒng)就像一個(gè)自信的領(lǐng)航員坐在汽車的副駕駛位置上，指引司機(jī)一點(diǎn)也不用費(fèi)勁即可按時(shí)到達(dá)目的地。即使有了導(dǎo)航系統(tǒng)，如果司機(jī)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(biāo)出來，那么，事情就好辦了。顯示屏上的箭頭表明你的當(dāng)前位置，并向你建議朝哪個(gè)方向行駛，可以到達(dá)目的地。有的導(dǎo)航系統(tǒng)具有聲音導(dǎo)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(jī)就不需要頻繁地看顯示器了。導(dǎo)航系統(tǒng)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、高爾夫球場和其他娛樂場所等當(dāng)?shù)氐牡缆沸畔⒓显谝黄稹?/p>

　　所謂GPS 車輛導(dǎo)航系統(tǒng)，就是利用接收GPS 信號對機(jī)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控和定位，并根據(jù)航跡情況對其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化和指導(dǎo)的系統(tǒng)。使用車用導(dǎo)航系統(tǒng)可帶來縮短行車時(shí)間、快速到達(dá)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(dǎo)航系統(tǒng)的正常運(yùn)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(jī)、快速強(qiáng)大的運(yùn)算系統(tǒng)、覆蓋面廣內(nèi)容詳實(shí)的電子地圖以及無線通訊網(wǎng)絡(luò)等附屬設(shè)施。

　　3.2.1 車輛定位技術(shù)

　　車輛定位技術(shù)是整個(gè)車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)，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(shí)時(shí)性直接關(guān)系到一個(gè)智能交通系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值和整體性能。由于車輛定位技術(shù)在車輛導(dǎo)航系統(tǒng)中特殊且有重要的作用，車輛定位技術(shù)一直是各種車輛導(dǎo)航系統(tǒng)研究和開發(fā)機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)課題。GPS 全球定位系統(tǒng)是由美國提出并實(shí)施的一項(xiàng)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)，但隨著近年來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(tǒng)方面，GPS 逐步被應(yīng)用到安全保障、車輛導(dǎo)航領(lǐng)域。GPS 定位精度高、實(shí)時(shí)性好，基本上能夠滿足未來ITS 中車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的精度要求。因此，基于GPS 的車輛自動(dòng)定位/ 導(dǎo)航與管理系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)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(jì)和社會(huì)效益。

　　3.2.2 GPS 車輛定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　車載設(shè)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(jì)算機(jī)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，在產(chǎn)品中嵌入微機(jī)作為控制器已開始隨處可見。由于PC 體系結(jié)構(gòu)的廣泛流行，與PC 兼容的軟件、硬件、外設(shè)和開發(fā)工具都比其它體系結(jié)構(gòu)更豐富、更便宜，將PC 體系結(jié)構(gòu)用于嵌入式應(yīng)用就意味著能夠大幅度地降低開發(fā)成本、減小風(fēng)險(xiǎn)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(hù)和技術(shù)支持。PC/104計(jì)算機(jī)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(gòu)、硬件和軟件上的完全兼容，而且結(jié)構(gòu)緊湊的棧接式模塊很適合嵌入式控制應(yīng)用的獨(dú)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(gòu)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(gòu)成的系統(tǒng)，直接疊裝，無需機(jī)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(gòu)造嵌入式系統(tǒng)提供了種類繁多的各種構(gòu)件，它高集成性和可模塊化的結(jié)構(gòu)適用于多種應(yīng)用。

3.2.3 基于GPS 導(dǎo)航技術(shù)的電子地圖

　　電子地圖是GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，它是導(dǎo)航系統(tǒng)與用戶的界面，它把接收到的導(dǎo)航定位信號和機(jī)動(dòng)目標(biāo)行駛范圍的地理特征相結(jié)合，動(dòng)態(tài)而直觀的對目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行管理和指導(dǎo)，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(dǎo)航系統(tǒng)。電子地圖還是對導(dǎo)航系統(tǒng)性能的擴(kuò)展，由于電子地圖是由相應(yīng)軟件組成，它可方便的實(shí)現(xiàn)各種功能，最大程度的發(fā)揮導(dǎo)航系統(tǒng)的潛能，做到方便、準(zhǔn)確、快捷，而無須進(jìn)行硬件方面的調(diào)整。

　　3.2.4 地圖匹配技術(shù)

　　車輛在電子地圖上顯示的行駛路徑是定位技術(shù)測得的。然而，不論是哪種定位技術(shù)都有其無法克服的局限性。無線電導(dǎo)航技術(shù)依賴于外界設(shè)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(dǎo)航技術(shù)的精確度則受方向探測儀及車速脈沖設(shè)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(xiàng)確定車輛在地圖上位置的技術(shù)，其糾錯(cuò)技術(shù)恰恰避免了定位技術(shù)無法克服的局限性。地圖匹配指GPS 接收機(jī)測量到其載體當(dāng)前的有關(guān)位置信息后，再從電子地圖數(shù)據(jù)庫中獲取有關(guān)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(jìn)行實(shí)時(shí)修正，從而準(zhǔn)確顯示車輛的位置?？梢哉f，地圖匹配算法的效果直接關(guān)系到車輛定位的精度，地圖匹配技術(shù)是決定導(dǎo)航產(chǎn)品最終性能的關(guān)鍵技術(shù)，因此，GPS、電子地圖相結(jié)合并通過地圖的匹配算法實(shí)現(xiàn)的組合導(dǎo)航技術(shù)是一種比較理想的導(dǎo)航方式。