GPS技術(shù)車載導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用

田野　李培安　付如松

摘 要：GPS車載導(dǎo)航設(shè)備作為一種全新概念的汽車電子用品，可以在地理信息服務(wù)、城市導(dǎo)航、自駕遠(yuǎn)游等方面為車主提供諸多便利。在歐美、日本等國(guó)，GPS車載導(dǎo)航儀已經(jīng)成為大眾的一個(gè)生活輔助工具，甚至是必需品。通過對(duì)日常生活的客觀狀況的了解，提出自己粗略的見解。目前，隨著私家車保有量的大幅提升，參與國(guó)內(nèi)GPS市場(chǎng)角逐的企業(yè)也如雨后春筍，GPS車載導(dǎo)航儀產(chǎn)品不再是少數(shù)專業(yè)人士及探險(xiǎn)家手里的“發(fā)燒”級(jí)裝備。選購此類高科技產(chǎn)品時(shí)，消費(fèi)者往往處于“一知半解”的狀態(tài)，容易產(chǎn)生困惑和迷茫。

關(guān)鍵詞：GPS技術(shù)；車載系統(tǒng)應(yīng)用

1 GPS地圖衛(wèi)星定位系統(tǒng)技術(shù)內(nèi)容簡(jiǎn)介

1.1 GPS技術(shù)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

GPS（GlobalPositioningSystem），一般譯為“全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)”，是美國(guó)國(guó)防部安排部署的，其首要的任務(wù)是為美軍及其盟軍提供全球范圍內(nèi)不間斷的定位、導(dǎo)航等數(shù)據(jù)。GPS系統(tǒng)包括GPS衛(wèi)星、GPS監(jiān)控站，以及用戶接收設(shè)備和GPS應(yīng)用軟件等部分。GPS系統(tǒng)目前共有24顆衛(wèi)星分布在6條固定的軌道上，繞地球運(yùn)行。軌道距地面約20400km，每顆星以12h為周期，連續(xù)向地面發(fā)送關(guān)于時(shí)間和自身位置的精確信息。

由于地球上任一點(diǎn)到衛(wèi)星的距離不等，且都有一組相對(duì)應(yīng)的比較確定的數(shù)據(jù)，因此在實(shí)際應(yīng)用中在用手持接收器于測(cè)試點(diǎn)接收到這一組數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，即可用這組數(shù)據(jù)到達(dá)的時(shí)間差來計(jì)算該點(diǎn)相對(duì)衛(wèi)星的距離，并以此來確定該點(diǎn)的相對(duì)位置，從而達(dá)到定位的目的。根據(jù)計(jì)算公式，定位有二維和三維之分，二維定位至少需要接收三顆衛(wèi)星的星歷；而三維定位至少要接收四顆衛(wèi)星的星歷。

1.2 其他衛(wèi)星定位系統(tǒng)

GPS地圖導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)除美國(guó)的GPS衛(wèi)星系統(tǒng)外，能與其比擬的就是俄國(guó)的GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)，也是24顆衛(wèi)星組成的系統(tǒng)，由于經(jīng)費(fèi)困難，缺乏維護(hù)和補(bǔ)充，目前可能有19顆可用，隨著俄國(guó)經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇和軍事上的需要，將會(huì)得到完善和健全。GLONASS系統(tǒng)是開放性，有利于使用，許多GPS生產(chǎn)廠商，為了提高GPS接收機(jī)使用性能和精度，都積極地研究GPS與GLONASS結(jié)合雙系統(tǒng)應(yīng)用軟件，充分地利用GLONASS系統(tǒng)，已初見成效。如美國(guó)JAVAD公司GPS接收機(jī)，利用超級(jí)集成技術(shù)，在芯片中集成40個(gè)通用信道，把GPS與GLONASS的差異無端地縮小了，結(jié)合起來使用，使觀測(cè)衛(wèi)星增多。

2 車載導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)狀

利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）信號(hào)進(jìn)行汽車導(dǎo)航，根據(jù)采用的硬件平臺(tái)不同，可分CAR-PC 車載導(dǎo)航系統(tǒng)、DVD汽車導(dǎo)航儀、基于掌上電腦的車載導(dǎo)航儀及其他形式的導(dǎo)航儀等。

2.1 CAR-PC 車載導(dǎo)航系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)技術(shù)在汽車上的應(yīng)用程度日益向縱深發(fā)展，在1998年1月，美國(guó)消費(fèi)者電子產(chǎn)品展示會(huì)上展出了首臺(tái)CAR-PC系統(tǒng)。它安裝在一臺(tái)名為超豪華概念車Else的儀表板上，是屬于開放式結(jié)構(gòu)的轎車微機(jī)平臺(tái)，使用微軟Windows CE操作系統(tǒng)。從功能上看，它集轎車音響功能、計(jì)算機(jī)功能、導(dǎo)航功能、語音識(shí)別式無線通訊系統(tǒng)功能等于一體，并以轎車技術(shù)為核心，為轎車提供了信息和娛樂設(shè)施，實(shí)現(xiàn)了駕駛者安全駕駛過程中自由接收電子郵件、打電話撥號(hào)、查詢特殊目的地、接收交通和氣候信息以及改選音樂唱片等功能。

國(guó)內(nèi)在CAR-PC導(dǎo)航產(chǎn)品方面研究開始較早，但由于價(jià)格及實(shí)用性等方面的原因，主要應(yīng)用在公安、部隊(duì)及其他一些特殊行業(yè)中，普及面很小，知名品牌的產(chǎn)品還沒有出現(xiàn)，許多大學(xué)也都在研制類似的產(chǎn)品，但是具有廣泛影響的產(chǎn)品及技術(shù)還不多見市場(chǎng)推廣工作進(jìn)展比較緩慢。

2.2 CD-ROM/DVD汽車導(dǎo)航儀

CD-ROM/DVD汽車導(dǎo)航儀需要預(yù)先加裝到汽車上，并且一旦將它安裝到汽車上以后，就無法拆下來，也不能移到別的汽車上使用。在這類汽車導(dǎo)航儀中需要使用經(jīng)過屏蔽（防磁）處理的高價(jià)電纜線，以防止其電磁波對(duì)于其他的車載設(shè)備產(chǎn)生影響，所以它的價(jià)格也比較高。在日本，九州松下電器 公司、建伍、先鋒等電氣公司所推出的產(chǎn)品基本上為DVD的形式，DVD產(chǎn)品比CD-ROM產(chǎn)品具有更大的容量和更好的性能。

3 車載導(dǎo)航GPS地圖的應(yīng)用原理及其應(yīng)用模式

3.1 車載導(dǎo)航GPS地圖的應(yīng)用原理

利用GIS中的電子地圖和GPS接收機(jī)的實(shí)時(shí)定位技術(shù)，組成GPS+GIS的各種電子導(dǎo)航系統(tǒng)。

3.2 車載導(dǎo)航電子地圖的應(yīng)用模式

車載導(dǎo)航電子地圖的應(yīng)用模式主要有如下二種：一是GPS單機(jī)定位+矢量電子地圖。該系統(tǒng)可根據(jù)目標(biāo)位置（工作時(shí)輸入）和車船現(xiàn)位置（由GPS測(cè)定）自動(dòng)計(jì)算和顯示最佳路徑，引導(dǎo)司機(jī)最快地到達(dá)目的地，并可用多媒體方式向駕駛員提示。制作矢量地圖數(shù)據(jù)庫需要花費(fèi)較大成本。二是GPS差分定位+矢量電子地圖。該系統(tǒng)通過固定站與移動(dòng)車船之間的兩臺(tái)GPS偽距差分技術(shù)，可使定位精度達(dá)到1～3M，當(dāng)采用雙向通訊方式時(shí)，則可構(gòu)成車船的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，又可將移動(dòng)車船上的GPS定位結(jié)果準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地傳送到控制中心，并在電子地圖上顯示出來，構(gòu)成交通網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控指揮系統(tǒng)。

4 GPS定位過程簡(jiǎn)介

GPS結(jié)合電子地圖能夠?qū)崿F(xiàn)城市交通管理、車輛調(diào)度管理，公安、銀行車輛，港口、河流船舶的自動(dòng)導(dǎo)引與監(jiān)控，具有巨大的應(yīng)用潛力。根據(jù)地形圖制作而成的矢量電子地圖，GPS坐標(biāo)還需經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換才能正確與之匹配。下面將從GPS定位坐標(biāo)系、WGS-84大地坐標(biāo)、地圖投影、平面坐標(biāo)變換等幾方面詳細(xì)討論坐標(biāo)匹配問題。GPS定位過程主要有如下幾個(gè)步驟：

第一，確定用戶的宇宙直角坐標(biāo)系位置，即用戶的X、Y、Z位置。

第二，宇宙直角坐標(biāo)系至WGS-84大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，既求出用戶的WGS-84大地坐標(biāo)位置λ、φ、h。

第三，坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換，即將球面坐標(biāo)λ、φ、h轉(zhuǎn)換成平面電子地圖投影坐標(biāo)，如高斯-克呂格投影坐標(biāo)。

第四，二維平面相似性變換，即經(jīng)過平移、旋轉(zhuǎn)、縮放運(yùn)算，達(dá)到其與GPS地圖的配準(zhǔn)。上述四個(gè)過程全部都是由計(jì)算機(jī)用程序自動(dòng)計(jì)算獲得，具體算法這里介紹從略。

5 基于GPS和電子地圖的車輛自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的組成及功能

5.1 基于GPS和電子地圖的車輛自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的組成

整個(gè)GPS電子地圖車輛動(dòng)態(tài)引導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)成如下圖所示，它由主控計(jì)算機(jī)、液晶顯示器、語音報(bào)警器、遙控器、組合導(dǎo)航處理器、GPS傳感器、速率陀螺儀、光驅(qū)等組成。主控計(jì)算機(jī)視用戶需求不同，可以是通用計(jì)算機(jī)，也可以是專用處理器。

5.2 基于GPS和電子地圖的車輛自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的功能

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)車、船等運(yùn)動(dòng)載體的電子地圖中的實(shí)時(shí)跟蹤顯示、最優(yōu)路徑選擇及導(dǎo)引、顯示導(dǎo)航信息、地圖檢索、語音提示告警、矢量圖分層顯示及縮放顯示；可以滿足城市車輛，港口、河流、海用船只的導(dǎo)引與監(jiān)視，GPS+航跡推算組合導(dǎo)航功能即使在信號(hào)不正常的條件下也能正確引導(dǎo)。電子地圖存儲(chǔ)于光盤中，可存儲(chǔ)大容量矢量電子地圖。矢量電子地圖生成點(diǎn)陣形式存放于主機(jī)內(nèi)存中，可達(dá)到地圖檢索和車輛跟蹤的平滑效果。車船行至地圖邊緣時(shí)，將自動(dòng)從光盤中調(diào)入下一幅新的矢量圖，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。

作者簡(jiǎn)介：田野（1995—），男，遼寧大連人，沈陽理工大學(xué)學(xué)生。

李培安（1993—），男，甘肅慶陽人，沈陽理工大學(xué)學(xué)生。

付如松（1994—），男，河北衡水人，沈陽理工大學(xué)學(xué)生。