GPS与车载导航系统

1 GPS系统

1.1 什么是GPS

      GPS即全球定位系统(Global Positioning System)是70年代由美国陆、海、空三军联合研制的．具有在海、陆、空进行全方位实时二三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和令球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等目的。经过20余年的研究实验，耗资200亿美元，于1994年全面建成。建成后，一天24小时免费为全球提供卫垦导航定位信号。

       GPS卫星发送两种码：P码(精码)和C／A码(粗码)。P码只供美军及其盟军以及美国政府批准的用户使用，定位精度达到3 m；C／A码为民用，对社会开放，定位精度为14 m。出于自身安全的考虑，美国先后实施了SA和AS政策。SA政策是在C／A码中人为引人误差，使定位精度下降到100 m；AS政策是对P码实行加密。2000年5月1日起美国停止了故意降低民用信号性能的SA政策，对民用码不加干扰，使民用信号精度大大提高，SA已经成为历史。

1.2 GPS系统的组成

GPS系统由3部分构成：

(1)空间星座部分：即GPS卫星星座。由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。卫星高度约2.02万干米，均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，24颗卫星均匀分布在6个轨道面上(每轨道面4颗)，轨道倾角为55°。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形(DOP)。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。

(2)地面监控部分：他包括1个主控站、3个注入站和5个监测站，负责卫星的监控和卫星星历(描述卫星运动及其轨道的参数)的计算。监测站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监测站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站设在范登堡空军基地，他的主要任务是收集各监测站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值，另外，他还要对地面监控部分实行全面控制。注入站也设在范登堡空军基地，他的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把各类导航数据及主控站的指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。

(3)用户设备部分：主要由GPS接收机硬件和处理软件组成。用户通过GPS信号接收机接收GPS卫星信号，经软件进行信号处理而获得用户位置、速度、时间等信息，最终实现利用GPS进行导航和定位的目的。GPS信号是一种可供无数用户免费共享的信息资源，只要用户拥有GPS信号接收机，就可享受免费的导航、授时和定位服务。

1.3 GPS定位原理

       GPS基本定位原理是：卫星不间断地发送卫星讯号，用户接收到这些讯号后，经过计算求出自身的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息，且无需为接收的卫星讯号本身支付任何费用。

      24颗GPS卫星在空中环绕地球运行，在任意时刻，在地面上的任意一点，都可以同时观测到4颗以上的卫星。每颗卫星都全天候地向地面传输讯号，讯号中包含有伪乱码、星历资料及Almanac。伪乱码是卫星的身份标识，他告诉我们讯号是由哪一颗卫星传输下来的；星历资料含有卫星是否健康、现在的日期、时间等信息；Almanac传输轨道信息告诉我们卫星所在天空的位置。就是说，每一颗卫星会告诉GPS接收机3件事：我是第几号卫星，我现在位置在哪里，我什么时候送讯息给你。

       定位计算时，以观测到的4颗卫星(前3颗卫星进行几何定位，后1颗卫星用于计算卫星钟和接收机的钟差，以提高定位精度。)的瞬间位置作为已知的起算数据，利用三维坐标中的距离公式，可以得到以下4个方程式：



      4个方程式中待测点坐标(x，y，z)和接收机的钟差Vto为未知数，其他数据可从卫星信号中获得，为已知量。其中c为GPS信号的传播速度，即光速，Vti(i=1，2，3，4)为各颗卫星的卫星钟的钟差，di(i=1，2，3，4)为各颗卫星到接收机之间的距离，di=c×△ti(i=1，2，3，4)，△ti(i=1，2，3，4)为各颗卫星的信号到达接收机所经历的时间。

       由以上4个方程即可解算出待测点的坐标(x，y，z)和接收机的钟差Vt0。接收机不断更新位置，就可以计算出移动的方向及速度。

       事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布将其分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。

       由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，使得民用GPS的定位精度不高。为提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技术，即建立基准站(差分台)进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5 m。

1.4 GPS系统的主要特点

全天候；全球覆盖；三维定速、定时，高精度；快速，省时，高效率；应用广泛，多功能。

1.5 GPS系统的主要用途

(1)陆地应用：主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等。

(2)海洋应用：包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等。

(3)航空航天应用：包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。

2 车载导航系统

        虽然GPS一开始是为军事目的而建立的，但很快和民用方面得到了极大的发展。在民用方面，发展最快，最为人们熟悉的就是车载GPS导航了。他可以为人们提供“位置指示”和“导航”服务，即：我在哪里?某处在哪里?去某处怎么走?这是一套极其先进的系统，能够侦测汽车在行驶途中的现时位置，帮助驾驶者在陌生的道路环境中，通过电子地图与语音指南，准确地掌握前往目的地的路线。除了购买GPS设备和电子地图的费用外，GPS导航是没有使用费用的。在发达国家，车载GPS导航已经是一个非常成熟的系统。日本的车载导航体系是全球领先的，超过80％的日本新车装有车载导航，不但附带丰富的覆盖全国的电子地图，而且已经实现了几乎全部城市的道路信息实时发布，车载导航系统会根据道路信息实时调整行驶路线，这样既可以减少路程花费时间，又可以帮助交通管理部门调整交通流量，一举两得。

2.1 车载导航系统的组成

       目前的车载GPS系统终端通常由GPS模块、无线通信模块、报警控制模块、语音控制模块、显示模块、车载PC、电子地图、自律导航模块、车速传感器、陀螺传感器、地图匹配模块等几个部分组成。

GPS模块 用来接收GPS卫星讯号。

无线通信模块 通常采用车载无线电话、电台或移动数据终端，以完成信息交互功能。

报警控制模块 向监控中心网络发出报警讯号，通报车辆异常信息。

语音控制模块 完成声音控制及服务等功能。

显示模块 用来显示位置路况等视频图像信息。

       车载PC 整合处理各功能模块，配合相应的软件，完成指定功能，如进行数据处理，计算所在位置的经度，纬度，海拔，速度和时间等。

        电子地图 储存着丰富的城市地图、全国的公路网图，此外，一般还储存有加油站、便利商店、政府机关、旅游景点、餐馆、停车场等信息。

        自律导航模块 当汽车行驶到地下隧道、高层楼群、高速公路等遮掩物处而捕捉不到GPS卫星信号时，系统自动导人自律导航系统。此时依靠车速传感器及陀螺传感器两者的信息反馈及车载PC的数据处理，使得在无法接收卫星信号的地方，仍然可以修正到汽车现时的位置，完成精确的无间断的三维坐标、速度和时间的定位。

         地图匹配模块 由GPS卫星导航和自律导航所测到的汽车位置、前进方向都与实际行驶的路线轨迹存在一定误差。为修正这两者间的误差，需要采用地图匹配技术，对汽车行驶的路线与电子地图上道路的误差进行实时相关匹配，并做自动修正，以指示出正确的行驶路线。

2.2 车载导航系统的主要功能

导航功能 使用者在车载GPS导航系统上任意标注两点后，导航系统便会自动根据当前的位置，为车主设计最佳路线，包括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的路线等，供车主选择。另外，还可做人工线路设计：由车主设计起点、终点和途经点等，然后自动进行线路规划，并在显示器上显示出设计的线路。此外，他还有修改功能，假如用户因为不小心错过路口，没能走选定的线路，车辆位置偏离线路轨迹200 m以上，导航系统<