GPS在車載導航系統中的應用

鄒 娜

(華南理工大學 土木與交通學院,廣州510640)

我國GPS車載技術起步較晚,還處在發展初期,基本都是在國外GPS的技術上進行二次開發.車載導航系統不如車輛跟蹤系統成熟,實時交通信息發布和完善的導航電子地圖的提供與更新機制,均缺乏實際的解決方案和途徑.GPS的定位信息首先要反映在電子地圖上,并通過電子地圖進行定位以及導航,如果使用不合格或者過期的電子地圖將會使GPS的功能大打折扣.另外,國家在民用信號中加入屏蔽與干擾,而在遇到城市高層建筑物、林蔭道、立交橋及涵洞隧道等時,GPS接收機所收到的導航衛星信號的質量會明顯下降,這都使GPS的定位精度受到影響[1-2].

GPS的基本應用就是定位與導航,飛機、船舶、地面車輛以及步行者都可利用GPS導航接收器進行導航.本文主要研究GPS/GSM系統在汽車導航系統中發揮的功能.選擇一輛舊的長安面包車,安裝流浪者GPS并調試.GPS接收定位信號在搭建的電子地圖平臺上生成GPS車輛定位,在監控中心進行一系列的導航監控.

在這個過程中,通過AT指令函數獲取GSM傳來的GPS坐標信息.在實現基本功能的基礎上,開發GPS導航的拓展功能(輔助功能),如最優路徑交通分析,GIS組件選擇中科院開發的組件,并完善超圖路徑優化函數,使之適應復雜的動態交通網絡.另一方面,實現車輛控制、車輛監聽及斷油斷電控制.

1 車載導航原理

1.1 定位與導航

GPS的定位就是利用衛星基本三角定位原理,GPS接收裝置以測量無線電信號的傳輸時間來量測距離,以距離來判定衛星在太空中的位置,GPS模塊接收衛星的定位信號再運算出自身的位置(經度、緯度、高度)、時間和運動狀態(速度、航向),每秒1次送給單片機并存儲,以便隨時提供定位信息,這是一種高軌道與精密定位的觀測方式[3-4].

GPS衛星系統、車載單元、GSM網絡、車輛跟蹤監控中心4部分構成了GPS車載導航系統.車載GPS是由GPS接收機接收GPS衛星信號(3顆以上),得到該點的經緯度坐標、速度、時間等信息,通過衛星獲得定位信息,如果這個GPS終端是導航終端,那它直接把這個定位信息解讀出經緯度并變成圖標顯示在電子地圖上,也就是導航的起點.從起點到目的地,是由導航終端里的芯片來運算的[5].

1.2 導航流程

移動目標接收GPS衛星信號,并解算出所在位置的定位信息,通過無線信令信道傳送至蜂窩基站,蜂窩基站接收移動目標發射的信息,并將數據信息通過短消息中心傳至監控中心,即實現了對移動目標的定位監控.

監控中心執行相關監控指令(如:詢位置指令、監聽指令、斷電指令等),通過短消息中心傳至蜂窩基站,蜂窩基站將監控指令信息進行調制發射,通過信令信道傳至移動目標,移動目標接收蜂窩基站發射的信息并執行相關指令[6-7].

1.3 無線通訊原理

GPS系統只是一個單一的定位系統,需要結合GSM等通訊網絡系統來實現定位信息的傳遞.GSM信號覆蓋面廣泛、信號穩定,是進行無線通信的良好資源,GSM傳統的數據通信方式,包括短信息SM方式和DATA方式.SM方式存在延時長(一般6～8 s)、通道有阻塞等缺點;DATA方式存在撥號時間長(10 s左右)、通信費用高等缺點[8-9].

2 系統功能設計

2.1 導航定位模塊

本模塊主要是根據已知的路徑進行導航,簡單用一個字符串表示“導航信息”,實際應用時可以用一些圖標來表示,如導航的信息可以是“前方5 m向右轉”.本模塊主要包括有真實導航和模擬導航.圖1為導航流程圖.

2.2 路徑尋優模塊

選擇起點和終點后尋找它們之間的最優即最快路徑.最優路徑實質上就是一種最短路徑,但其路權不是里程,而是穿越耗時,這樣原理較長的路段如果為快速路,則反而耗時最小.由耗時最小的路徑集合構成的就是最快(最優)路徑[3].圖2為模塊流程圖.

圖1 導航實現流程圖

圖2 模塊流程圖

3 實證分析

3.1 初始狀態

用普通的GSM手機作為簡易的GPS安裝在汽車內.將安裝有GPS的面包車放在河海大學江寧校區的操場,該地空曠,GPS不會受到周圍建筑物的影響,可以較好的接收到星歷數據.在河海大學鼓樓校區安排一臺手提電腦作為中心控制機,中心控制機與車載GPS通過GSM無線卡進行短信交互,獲取定位信號、傳送控制命令[7].

打開車上的GPS設備,檢查GPS的通信是否正常,星歷數據是用一個字符串來表示的,包括精度、緯度、速度、方向、可見的衛星個數.主要操作如下:打開地圖文件、啟動GPS、GPS連接成功、定位星歷數據.

在GPS連接工作之前,要進行GPS通信參數的設定,即設定通過短信傳遞的GPS信號如何被解譯為控制中心能讀懂的數據串.在這里,首先要設置端口號用以將信號從某個端口傳遞給計算機,端口號使用COM 8,波特率定為9 600,校驗停止位一般是一位.然后設置GPS的協議格式,我們使用的流浪者GPS設備有專門的通訊協議,車機與監控中心的所有操作均通過GSM短信息完成,收發信息時必須遵守基本的GSM短信息收發協議,采用PDU格式,文本方式無效,PDU數據包的內容為協議約定.

當提示GPS連接成功后,就可以觀察到星歷數據,在河海大學的起始點GPS狀態:緯度為118°45'511＂,經度=32°3'3751＂,速度=0.00,方向=321.64°,可見衛星數為5.

3.2 實驗結果

我們從江寧校區南大門開始進行測試,沿實驗室大廳、農水試驗田、西操場、水輪機雕塑、理科樓、文科樓、東湖、圖書館再返回南大門.按GPS缺省數據返回頻率(每10 s回傳一個數據串)采樣35個定位點.

表1 采樣點經緯度

在控制中心電子地圖上顯示如圖3.

圖3 導航路線

4 誤差分析

由于采用的地圖精度不夠,為校驗數據準確性,本文采用線路數據套疊遙感影像圖顯示效果如圖4.

圖4 實際地圖與路線對照

從圖4中可以看出,測試線路大致上可以反應車輛實際運行軌跡,杜絕了在地圖中車在屋頂上、河面上走的大誤差現象.但在西操場和理科樓附近數據偏離道路,初步分析一方面由于導航級GPS的精度本身就存在一定誤差且測量點數不夠;另一方面,可能是西操場處農水實驗室儀器和理科樓實驗室內電子儀器對信號具有某種干擾造成,不過從導航用途方面來講,基本不影響導航使用.

從測速方面來看,系統測試車輛速度表的誤差,實際測試為:測試車輛恒速30 km/h,導航為32 km/h,初步分析是因為車輛比較舊,車輛上的速度表可能存在誤差而非GPS誤差.

測試中碰到一些小問題,星歷數據顯示正常,但在導航時總是一會顯示“GPS沒有連接”,一會顯示“GPS正常”,但導航很正常,初步分析為接收模塊有問題.

在設置GPS啟動時,設置的端口在反復試驗后選取COM 8系統才會有成功顯示數據,GPS只有在成功啟動后才有相應的數據顯示.

在測試試驗時,GPS信號會根據附近建筑物狀況降低或提高.

在轉地圖為超圖時(Supermap),地圖要基于精度和緯度時才能準確的顯示定位點.

5 結 語

本文完成了基于GPS開發的導航系統的模塊的開發和設計以及安裝調試.通過運用GPS/GSM車載導航系統,已經實現了若干功能,能夠實時掌握每部入網車輛所在的位置的位置查找功能;可以通過中心與其他信息系統的連接獲取廣泛的信息,并傳播給每一位用戶,最大限度地開發和利用有限投資的信息發布功能等.

[1]劉基金.GPS衛星導航定位原理與方法[M].北京:科學出版社,2003.

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[6]關 可,林 薇.GPS(全球定位系統)在汽車交通管理中的應用[J].西安公路交通大學學報,1999,19(1):92-94.

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[9]張 磊,GPS系統在車輛定位中的應用[J].哈爾濱商業大學學報:自然科學版,2005,21(2):193-195.