基于GPS的车载定位与导航技术.doc

基于GPS的车载定位与导航技术Based on the GPS vehicle positioning and navigation technology摘要：GPS技术已经日趋成熟，以其全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及其所独具的定位导航、授时校频、精密测量等多方面的强大功能，已涉足众多的应用领域 。近年来，随着社会经济的发展, 城市机动车辆的数量不断增加,机动车的增长率远远高于道路修建的速度，从而造成交通拥堵、环境恶化。对此，大力发展智能交通系统（ITS）已成为解决交通问题的一种有效的出路。利用基于GPS的车载定位与导航技术，借助电子地图等其他手段，可依据城市道路拥挤状况和行驶路径，选择最佳的行驶路径，从而避免道路选择的盲目性，提高了城市车辆的调度和管理水平，减少车辆行驶时间和油耗，从而保证城市道路系统负荷的均匀性，达到改善交通状况的目的。Abstract:GPS technology has been increasingly mature, with its all-weather, high precision, automation, high efficiency and other significant characteristics and unique positioning navigation, timing and frequency correction, precision measuring aspects of power, has been involved in many application fields. City in recent years, with the development of social economy, increasing the number of motor vehicles, motor vehicle growth rate is far higher than the speed of road construction, causing traffic congestion, environmental degradation. To develop the intelligent transportation system (ITS) has become an effective way to solve the problem of traffic. Based on the GPS vehicle positioning and navigation technology, with the aid of electronic map, and other means, on the basis of urban road congestion and traffic path, choose the best path, as to avoid the blindness of path choice, improves the city vehicle scheduling and management level, time and reduce vehicle fuel consumption, thereby ensuring the uniformity of city road system load, achieve the goal of improving traffic conditions.关键词：GPS、车载导航、智能交通引言：近年来，GPS技术已经广泛地应用于家庭和工业的各个领域，随着经济的飞速发展，机动车数量的不断增加，车载GPS导航系统越来越受到人们的关注。并且，随着人们物质生活水平的提高，对汽车的安全性、舒适性、便捷性等要求也越来越高，尤其是在GPS的发展已经成熟的情况下，基于GPS的车载定位与导航技术的研究越来越多地受到业界的关注。提出问题：随着社会经济的发展, 城市机动车辆的数量不断增加, 城市交通问题日益严重，如道路拥堵、交通事故、环境污染等问题越来越突出, 交通运输状况急需改善。要缓解这些问题，常用办法有两种： 一是指增加交通网, 大量修筑道路基础设施。但是由于受城市空间、物力、财力等的限制, 此方法可以说是治标不治本，并不能成为一个好方法。二是限制机动车数量，此方法只能从一定程度上缓解城市交通的矛盾, 不能从根本上解决问题, 因为随着生活水平的提高, 城市居民家庭轿车会不断增多, 交通压力会越来越大。这两种方法，都不能很好的解决日益严重的交通问题。 目前，缓解交通压力应以疏导规划为主，在已有的路网上，更加注重路径的选择，合理的分合车流，增大路网的利用率。利用先进的定位系统，掌握各个路段的交通拥堵状况，合理的选择路径。在各种车载系统中，基于GPS的车载定位与导航系统应用最为广泛，下面就以GPS 为切入点介绍它在车辆定位与导航中的应用。一、国内外的发展现状目前国内外惯用的G PS 车 辆定位与导航系统主要有的五种通用类型：1、无 源 跟 踪 系 统 这是一种最廉价的车辆跟踪方式 ，无需实时传送数据 ，因而一次购置设 备以后不用再耗其它无线网络的运行服务费用。它实际上是驾驶员的工作记录 ，把行的路线轨迹存储起来以供回来后重新送入数据库系统 。这种系统也可用于 其它的野外采集数据事后人工恢复数据的场合 。2、有源跟踪系统 这是最典型的一种车辆跟踪方式，必须配有无线网络 系统 ，无线网络可以用卫星通信系统 、蜂窝电话系统 ，在美国还用专门设计的R FM O D EM运行于ARDIS网络上，差不多在任何地方都能实现数据的可靠传输 。3、点名应答系统 许多情况下系统无需连续跟踪。但要保证在任何需要的时候能随时找到这一车辆 。由于以A RDIS为基础的系统使用了微制 器 ，所以系统兼备了有源跟踪和点名应答双重功能 。但必须在控制器中建立合适的码 ，它能在收到控制中心的指令后实现两种模式的相互切换 。4、失窃车辆寻找系统 这是点名应答系统的一种变形系统 。5、车载监控系统 该系统适用于作为移动指挥中心 ，与控制中心一样配有电子地图和监控软件 。 我国的车载智能终端普遍采用以下原理：车载智能终端是汽车电子化、智能化的一个重要应用。随着电子工业和电子技术的飞速发展，车载智能终端由当初简单的汽车数据记录仪发展到集数据采集、数据存储、全球定位系统、地理信息系统和各种无线通信技术、多媒体技术于一体的高性能智能化汽车数字电子装置。汽车的行驶记录仪能够实时检测汽车行驶过程中的各类状态数据和事故发生的拥堵状况。国内外的使用情况表明，车载智能终端的合理利用可以在很大程度上缓解交通压力, 提高道路利用率，特别是对于城市公交的合理动态调度有显著的效果，为国家行政管理部门提供了有效的执法工具、为道路运输企业提供了管理工具、为驾驶员提供了其驾驶活动的反馈信息，对保障道路交通安全起到了直接的作用。如图（1）所示为车载智能终端工作示意图。该图所示的汽车中均装了配备有汽车行驶记录仪，车载卫星定位系统的车载智能终端。汽车在行驶的过程中不断与卫星通过信道1进行数据通信，得到准确的定位信息，然后将定位数据及其它相关信息通过图中2、3所示的通信链路发送至监控中心。监控中心根据实际路况和具体工况通过通信链路向汽车回送数据命令。通过这样一个过程，监控中心可以实现对汽车调度。图1 国外汽车电子技术的发展大致经历了三个阶段：第一个阶段从上世纪60年代中期到七十年代末期，为局部应用阶段；第二阶段为70年代末期到90年代中期，机电一体化思想和技术运用到汽车设计中；第三阶段从上世纪90年代中期到2010年为全面应用阶段。欧盟、日本等国家早在20世纪70年代就开始在部分客运车辆及货车上强制安装使用记录仪，经过靠近30年的发展，已经形成了一套体系完善，车辆监控、调度制度健全的全国范围内的车辆行驶监控中心，大大减少了由于汽车行驶安全带来的人员和财产的损失，也因此受到物流运输、汽车租赁、企事业单位、保险公司和交通管理部门的欢迎。国外在车载智能终端方面的研究受市场需求量的驱动发展迅速，从其稳定性、安全性、易用性、完善性角度比较走在了世界的前列。从九十年代初期开始，至今有六、七年的时间，GPS车辆跟踪系统应用走过 了极其起伏而缓慢的发展道路。至少有两次起落。19911995年间是第一波，当时有成十上百家公司都来抢占GPS车辆跟踪系统市场，其中也不泛有几家具备经济实力的公司，但真正成功者不多。究其原因不外乎两个一是市场尚未形成，用户还没有迫切需求；二是技术途径尚不完善，做成的大多是实验室内刚出笼 的，还达不到商品化程度。鉴于上述原因，车调产品一直上不了量，成不了规模。致使从事车调系统的公司绝大多数造成亏损，不少公司只好退出这个行业。估计 总投入三、四千万元，装车约300辆，但实际投入运行的却不多。19961998年期间。正是GPS车辆跟踪系统市场的整顿、巩固、充实、提高时期，在对原有 的不良系统进行改造的同时，还有新的系统在建立，如河南天网、广东天网相继出现，还有多个具有水平的集群系统出现。从而在三、四十个城市建成了金融车辆和公安车辆跟踪系统 ，装车总量为三干辆左右，耗资近一个亿。1999年始GPS车辆跟踪系统市场又出现了新的一波 ，出现了快速增长的势头，此时的市场趋 于逐步成熟，我国的GPS车辆跟踪系统的技术有了较大提高与发展，作为系统的卡脖子问题的通信网络通过采用GSM公众网的短信息服务找到了新的出路，这对 上档次上规模无疑是大有益处的问题是市场上真正成为工业化的产品不多，而 且有一些急于求成的公司把不太成熟的产品推向市场，可能会对GPS车辆 跟踪 系 统 市场 造 成 一 定 的负 面影 响 。这一点应引起大家的关注。如果有关部门和公司能紧密配合，促进GPS车辆跟踪系统市场的有序发展 ，把它从特种车辆应用扩展到公众车辆应用，则在未来的二、三年之内每年能达到510万辆车的装车量完全是可能的 ，每年的相关产值有可能达到78个亿。2、 GPS车载系统的应用基于GPS的车载定位与导航技术和交通管理工程中的研究与应用已经取得了一些成果：（1） 公交车调度 利用GPS车载定位与导航技术可以更具公交路线安排，结合车辆发回的各种信息（如交通阻塞、机车故障等），适时将调度命令发送给司机，及时调整车辆运行情况。该技术还可以应用于车辆、路线和道路等有关数据的查询功能，便于实现有效管理。具体一点，可以利用这种技术设置电子站牌，显示车辆运行信息，预测到站时间。图（2）为公交调度站点模拟图。图2（2） 出租车调配与信息服务 发达国家已普遍采用卫星定位监控系统对出租车进行调度管理。在我国一些城市，也有越来越多的出租车开始安装卫星定位监控系统。GPS车辆监控调度系统在出租车中应用最广泛的是“打车服务”，如腾讯的“滴滴打车”等，能够有效的利用出租车配置，节约双方的时间。利用GPS还可以实现路况信息实时监测、电子安全保护和报警防劫等功能。图（3）为出租车打车服务示意图，从图中可以看出，监控指挥中心、电召服务中心、数据资源中心、出租车客户端、GPS卫星几者之间的关系。图3 （3）特殊车辆实时监控 利用GPS车载定位与导航技术可以实现对运钞车、长途运输车等特殊交通工具进行实时监控。运钞车内安装该系统之后，如果遭遇抢劫，押送员可触发报警装置，监控中心的电子地图将会自动显示报警车辆的位置、车速和行驶路线等信息，同时系统会自动会自动将信息上传到公安部门的电子地图上，方便警方迅速部署行动。 在每辆长途运输车辆上安装数据存储器，时刻记录车辆的位置数据，定期将信息下载到控制中心，可以查看车辆是否按照预定的路线接送货物，是否疲劳驾驶。如图（4）所示，利用GPS车载定位与导航技术和后台信息系统，组成罐式集装箱、槽罐车和特种运输车辆的跟踪监测系统，实现罐式集装箱、槽罐车和特种运输车辆状态信息透明化，确保货运安全和资产便捷调度与管理。图4（4）私家车辆的出行和安全保护GPS 多功能车载导航系统对于外出旅行的私用车辆的益处是显而易见的，通过这套系统，用户可以在完全陌生的环境下通过路径引导和规划系统，找到正确的行驶线路，同时，通过该系统自带的电子地图，用户也可以查询到自己所需要的旅馆、停车场等信息。在外出度假时，该系统所具有的娱乐功能也可以为用户提供所需的娱乐服务。 车载导航系统对车辆的安全防护体现在两个方面：一是车辆在被非法启动的情况下，会发出声光信号，威慑犯罪分子，提醒他人车辆被盗；二是车载系统会将被盗警示信息通知车主和交通中心，同时将车辆位置显示在中心控制台，使警务人员能在最短的时间内找到被盗车辆，将犯罪分子抓获。如图（5）所示，为车内的基于GPS的车载定位与导航的终端设备。图5三、未来的发展 GPS 在ITS 中的应用主要体现在车辆导航上。在GPS 的诸项应用中，车辆定位导航应用发展最快，并取得了巨大的经济效益和社会效益。车辆应用已跃居GPS 各应用之首。 在GPS的车辆导航应用中，汽车应用所占的比重最大，约占总数的50左右；而在汽车的应用中，GPS车辆应用系统一般又分为两大类：车辆定位系统和车辆导航系统。车辆定位系统主要是用于车辆的防盗，车辆导航系统主要是用于车辆的自主导航。用于防盗的GPS定位系统就是要借助通信网络以及政府配套系统给GPS车载防盗仪，在车辆被盗后，及时定位，给出地理坐标，方便及时找到被盗车，而车载导航仪是通过接受卫星信号，配合电子地图数据，适时掌握自己的方位与目的地。GPS通过接受卫星信号，完全可以准确地满足人们想要知道“自己身在何处”的想法，位置误差小于十米。对开车外出者来说GPS让他们再也不会为迷失方向而苦恼，因为GPS导航仪可以让驾车者对行驶道路了如指掌。对于那些上班族们，可以轻松的掌握道路拥挤情况，合理的选择行车路线。 所谓GPS 车辆定位与导航系统，就是利用接收GPS 信号对机动目标进行监控和定位，并根据航迹情况对其运动进行优化和指导的系统。使用车用导航系统可带来缩短行车时间、快速到达目的地、减少能源消耗、保障行车安全等多方面的利益。 GPS的车载定位与导航技术以其便捷性、准确性、无需过多人工干预、花费小等优势越来越受到人们的普遍欢迎。车辆导航技术作为一项将GPS、电子地图和通信技术融为一体的高科技成果，必须在科技发展、技术进步与用户使用中结合实际情况不断创新和完善。车辆导航系统极具研究意义和研究价值，因此市场潜力和发展前景是不言而喻的。虽然GPS定位系统有诸多优点，但是，目前许多GPS车载定位与导航系统的定位功能都集成在移动终端上，需要有存贮了电子地图的SD卡的支持。如果用户漫游到其他城市，则需要更新SD卡数据。此外，城市内高楼林立、建筑物遮挡严重，单纯的使用GPS在一些地方无法实现精确定位，所以存在一些定位盲区，和丢失位置的问题。GPRS是通用分组无线业务(GcneralPacket RadioScrvice)的英文简称，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS采用与GSM同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样的TDMA帧结构。这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务信道极其相似，因此现有的基站子系统