簡單介紹汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理及主要應(yīng)用

什么是汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)呢?簡單來說，它是以全球24顆定位人造衛(wèi)星為基礎(chǔ)，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線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)(GPS原理)。那么，它又是如何工作的呢?通常我們所說的汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)由三部分構(gòu)成：

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

二是空間部分，由24顆衛(wèi)星組成，分布在6個軌道平面。

三是用戶裝置部分，由GPS接收機和衛(wèi)星天線組成?，F(xiàn)在民用的定位精度可達10米內(nèi)(GPS導(dǎo)航儀)。

汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本工作原理

首先，測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過記錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間，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與衛(wèi)星之間的真實距離，而是偽距(PR)：當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨機碼(簡稱偽碼)發(fā)射導(dǎo)航電文。

GPS系統(tǒng)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(fù)周期一毫秒，碼間距1微秒，相當(dāng)于300m;P碼頻率10.23MHz，重復(fù)周期266.4天，碼間距0.1微秒，相當(dāng)于30m。而Y碼是在P碼的基礎(chǔ)上形成的，保密性能更佳。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號中解調(diào)制出來，以50b/s調(diào)制在載頻上發(fā)射的。導(dǎo)航電文每個主幀中包含5個子幀每幀長6s。

前三幀各10個字碼;每三十秒重復(fù)一次，每小時更新一次。后兩幀共15000b。導(dǎo)航電文中的內(nèi)容主要有遙測碼、轉(zhuǎn)換碼、第1、2、3數(shù)據(jù)塊，其中最重要的則為星歷數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶接受到導(dǎo)航電文時，提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處位置，用戶在WGS-84大地坐標(biāo)系中的位置速度等信息便可得知。

可見汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星部分的作用就是不斷地發(fā)射導(dǎo)航電文。然而，由于用戶接受機使用的時鐘與衛(wèi)星星載時鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標(biāo)x、y、z外，還要引進一個Δt即衛(wèi)星與接收機之間的時間差作為未知數(shù)，然后用4個方程將這4個未知數(shù)解出來。所以如果想知道接收機所處的位置，至少要能接收到4個衛(wèi)星的信號。

GPS接收機可接收到可用于授時的準(zhǔn)確至納秒級的時間信息;用于預(yù)報未來幾個月內(nèi)衛(wèi)星所處概略位置的預(yù)報星歷;用于計算定位時所需衛(wèi)星坐標(biāo)的廣播星歷，精度為幾米至幾十米(各個衛(wèi)星不同，隨時變化);以及GPS系統(tǒng)信息，如衛(wèi)星狀況等。

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

GPS接收機對收到的衛(wèi)星信號，進行解碼或采用其它技術(shù)，將調(diào)制在載波上的信息去掉后，就可以恢復(fù)載波。嚴(yán)格而言，載波相位應(yīng)被稱為載波拍頻相位，它是收到的受多普勒頻移影響的衛(wèi)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刻量測，保持對衛(wèi)星信號的跟蹤，就可記錄下相位的變化值，但開始觀測時的接收機和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的，起始歷元的相位整數(shù)也是不知道的，即整周模糊度，只能在數(shù)據(jù)處理中作為參數(shù)解算。

相位觀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(xù)觀測值時才能使用相位觀測值，而要達到優(yōu)于米級的定位精度也只能采用相位觀測值。

在GPS觀測量中包含了衛(wèi)星和接收機的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應(yīng)等誤差，在定位計算時還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差的影響，在進行相對定位時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(jù)兩個頻率的觀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(大氣有明顯差別)，應(yīng)選用雙頻接收機。

汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)介紹

1、跟蹤靈敏度。汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的跟蹤靈敏度這一參數(shù)對使用者來說是非常重要的，因為當(dāng)使用者身在城市峽谷、隧道、地下停車場等有遮擋的地方，GPS衛(wèi)星信號的強度會大大降低，如果產(chǎn)品的跟蹤靈敏度這一指標(biāo)較差，就會出現(xiàn)丟失衛(wèi)星信號、失去位置信息的情況。

2、定位精度。GB/T19392-2003中規(guī)定系統(tǒng)定位精度應(yīng)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(qū)，GPS導(dǎo)航就顯得較為困難，以致導(dǎo)航儀識別不了“掉頭”、“左右車道”、“高架橋”、“立交分道”等等，這樣的導(dǎo)航是非常嚴(yán)重的缺陷，它會在使用者最需要導(dǎo)航的復(fù)雜路段做出錯誤的引導(dǎo)。

3、位置更新率。GB/T19392-2003中規(guī)定位置更新率應(yīng)小于2s。該參數(shù)是考核汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)以一定速度連續(xù)移動的狀態(tài)下，位置數(shù)據(jù)刷新的間隔時間。

4、捕獲?？己似嘒PS導(dǎo)航系統(tǒng)以一定速度連續(xù)移動的狀態(tài)下，從啟動到捕獲的時間，GB/T19392-2003中規(guī)定系統(tǒng)首次裝車時，實現(xiàn)捕獲過程需要車輛行駛的距離不大于20km，在車輛行駛中從啟動到捕獲的時間應(yīng)小于5min。

5、效率。選取起點與終點距離在50km-500km范圍內(nèi)的路線，進行路線計算，從開始路線計算到開始路線引導(dǎo)的時間應(yīng)不大于1min;目標(biāo)檢索過程中汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)對用戶操作的響應(yīng)時間應(yīng)不大于1min。

6、電磁干擾。這是消費者容易忽視的問題，由于車輛里集中了大量的電子設(shè)備，因此GPS導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾應(yīng)該控制在一定限度內(nèi)，以免影響車輛內(nèi)部的其他電子設(shè)備工作。

汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的主要應(yīng)用

汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)操作的簡便性是設(shè)計者追求的目標(biāo)，實際上這也涉及到一個安全的問題，因為駕車者不允許一邊開車一邊看電子地圖。因此，設(shè)計者都考慮針對汽車導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用需求開發(fā)語音及語音識別技術(shù)，使用者通過語音代替按鍵操作發(fā)出指令，使導(dǎo)航系統(tǒng)完成相應(yīng)的工作，導(dǎo)航系統(tǒng)通過語音代替圖像文字，向駕車者發(fā)出信號或指令。例如豐田威馳導(dǎo)航系統(tǒng)就是一種帶有語音技術(shù)的導(dǎo)航系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)彎路口等地方可以用語音提示。

汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用關(guān)鍵是電子地圖。用戶購買裝備有導(dǎo)航系統(tǒng)的車輛時，還能得到一張刻錄了電子地圖的CD-ROM光盤。用戶在開啟車輛導(dǎo)航系統(tǒng)之后,必須把這張CD-ROM插入導(dǎo)航設(shè)備的光盤驅(qū)動器中，系統(tǒng)需要道路信息時都會到CD-ROM上去獲取。例如豐田威馳DVD導(dǎo)航系統(tǒng)就是這樣，它在副駕駛座下面有一個DVD驅(qū)動器，專門讀取電子地圖DVD光盤。

隨著城鄉(xiāng)建設(shè)及道路變化，電子地圖光盤也會定期更換。但是，就是最新版的電子地圖也不能保證準(zhǔn)確無誤。針對這種情況，汽車導(dǎo)航系統(tǒng)又需要增加一定的輔助支援系統(tǒng)。

目前在應(yīng)用汽車導(dǎo)航系統(tǒng)比較廣泛的地區(qū)(例如歐美和日本)，汽車公司或其他商業(yè)公司建立的呼叫中心或公共交通信息電臺，通過GSM移動通訊形式發(fā)短消息或電臺發(fā)送的最新的交通信息提供給汽車上的導(dǎo)航設(shè)備，可以對汽車上電子地圖的信息隨時進行修正。

我國對于地圖的出版有嚴(yán)格的規(guī)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(biāo)準(zhǔn)性、政策性、保密性、技術(shù)性較強，是國家版圖、行政區(qū)劃界線的科學(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。目前威馳轎車的DVD語音電子導(dǎo)航系統(tǒng)，也特別注明電子導(dǎo)航系統(tǒng)是“經(jīng)國家測繪局的支持和批準(zhǔn)”。為了適應(yīng)汽車自動導(dǎo)航設(shè)備需要根據(jù)行駛區(qū)域、路線、自動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，汽車導(dǎo)航系統(tǒng)所使用的地圖必須是以向量方式記錄的。

目前國內(nèi)一些汽車運營企業(yè)安裝的“汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)”，主要功能是調(diào)度與監(jiān)測，與前面說明的汽車導(dǎo)航系統(tǒng)不同，這些系統(tǒng)中的車輛上除GPS天線和接收機外，并不需要車輛自主導(dǎo)航設(shè)備(包括電子地圖)，車輛通過車載通訊設(shè)備和公司保持聯(lián)系。因為這類系統(tǒng)的導(dǎo)航過程其實是人工完成，因此還不能算是汽車GPS自動導(dǎo)航系統(tǒng)。

總結(jié)

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)將會使得人們的生活更加完善與便捷，小編通過搜集整理，簡單對其組成、工作原理、關(guān)鍵指標(biāo)以及應(yīng)用等基礎(chǔ)知識作了歸納總結(jié)。