GPS在车辆导航定位系统中的应用与研究

ＧPS在车辆导航定位系统中的应用与讨论引言近年来，随着经济的飞速进展,机动车的增长率远远高于道路修建的速度，任何城市都面临道路状况改善相对滞后的局面，从而造成交通拥堵、环境恶化，大力进展智能交通系统(ITＳ)已成为解决交通问题的唯一行之有效的出路。利用全球定位系统（HYＰＥRLINK"ｈtｔｐ：//www.c114．nｅt/kｅｙwoｒd/ＧPS＂\t”＿blaｎｋ”GPＳ)的城市车辆定位技术作为ＩＴS的关键技术之一，借助电子地图等其他手段，可依据城市道路拥挤状况和运输的最佳线路，选择运输途径，从而避开运输道路选择的盲目性，提高了城市车辆的调度和管理水平,削减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.车辆定位与导航可采纳各种技术手段进行，但其中车辆精确定位的实现是最重要，也最困难,花费最高的。但自从GＰS应用于车辆定位与导航中，情况发生了划时代的革命性变化。下面就以ＧＰＳ为切入点介绍它在车辆定位与导航中的应用。1绪论自六十年月以来，很多国家即开头对导航和定位技术的讨论。开头，其主要用于军事目的,如使用惯性器件的美国的＂民兵（MX)巡航导弹系列”即首先使用了导航和定位技术.随着现代技术的不断进展，导航和定位系统的器件开头向小型化、轻型化、低廉化方向进展。于是，导航和定位系统开头逐步进入消费市场,格外在交通方面（主要用于交通流的引导和疏通).将运载体从起始点引导到目的地的技术和方法称为导航；而车辆导航系统即是测量并解算出车辆的瞬时运动状态和位置，供应应驾驶员或自动驾驶仪以实现车辆的正确操纵或掌握。车辆导航系统进展起始于七十年月初,美国公路局于70年月初提出了一种电子路径引导系统（ＥRＧS）,此系统是一种具有无线路径引导能力的导航系统，它以短距离指向标ＨYPERLＩＮＫ"hｔtp：／/www。c114。nｅｔ/kｅｙwｏrd/％CD％F８％C2％E7”＼t＂_blank”网络作为其基本的技术起点而形成的中央动态路径引导功能的导航系统；但是，由于资金有限,此系统最终没有实现。到了八十年月,随着无线电通讯技术和ＨＹＰＥRLINK”htｔｐ：/／www。ｃ１14。nｅt／ｋｅyworｄ/％BC%C6％ＣB%E3％BB%ＦA＂\t"_blａnk”计算机技术的不断进展，欧、美、日先后开发了CARＩN系统、EＶA系统、LORＥN系统、OMＥＧA系统、RACS系统和ＡMＴＩＣS系统等.进入九十年月后，卫星定位技术的不断完善，美国和前苏联分别完善了其卫星定位系统,使GPS系统和GOLLＮＡＸ系统开头真正的进入民用市场,并使以此系统为依托的车辆导航系统得以巨大进展。从导航和定位技术的进展过程来看,它的进展和相应时代的技术进展是并行的。在九十年月，以GPS为基础的导航系统不断地完善，在国内外都进入了有用阶段，美国开发的PAＴHFＩＮDER系统，日本的ＶICＳ系统。在中国，ＧPS定位导航技术于近几年也了巨大的进展,如西安５04所开发的WP20０0系统，其主要用于导航和报警方面.2GPＳ概述2．１ＧＰS系统简介全球定位系统，简称ＧＰＳ，是沿地球轨道运行的２4颗导航卫星的星座集合。GPS接收机就是利用这些卫星所发送的精确的时间和位置信息来进行定位.该系统可供应地球上全部点的三维坐标。美国五角大楼利用ＧPS供应的导航数据以应付险峻地形和各种突发情况，同时它也掌握着此系统。尽管GPS主要用于军事目的，但是它在民用和商业领域中的价值不断的被熟识。ＧPS卫星也因此发送两种代码：一种只供军方使用的加密代码PPS（也称P码），另一种是供民间使用的标准定仁明良务代码ＳPS（C/Ａ码).美国政府己于21世纪初宣布,自200０年5月１日半夜开头，取消ＳA政策，使民用Ｃ/A码的定位精度大大提高。GPS系统主要是由三部分组成：（１)GPS卫星(空间部分)，(２)地面监控系统,（3）GＰS接收机（用户部分)。２.2GPＳ定位的基本原理GPＳ定位的基本原理是依据高速运动的卫星瞬间位置作为己知的起算数据，采纳空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。利用GＰＳ进行定位是以GＰS卫星和用户接收机HYＰERＬINＫ"hｔtp：//wｗw。c1１４。net／ｋｅywｏｒｄ/％ＣC％EC%CF％ＤF"＼t"＿blaｎｋ"天线之间的距离(或距离差）为基础,并依据已知的卫星瞬时坐标来确定用户接收机所对应的点位，即待定点的三维坐标（x，ｙ，z),其关键是测定用户接收机天线至GPS卫星之间的距离。GPS定位方式主要有肯定定位和相对定位两种。3GPＳ在车辆定位与导航中的应用车辆定位与导航的讨论在国外起始于上世纪7０年月,目前称为ＡVLN（ＡuｔｏｍaＴIcVeｈｉcｌeＬocatｉONandＮaｖiｇation，自动车辆定位与导航).AＶLＮ是智能运输系统（ＩTS）或智能汽车/公路系统（ＩＶHS)的基础环节。GPS车辆定位与导航系统，以其精确定位的易实现性、相对成本的低廉性、设计与安装的相对独立性，自1995年以来,在国内获得了飞快进展。中国科技高校ＧPS实验室在其中也做出了开创性的工作。3．１GＰＳ车辆导航系统的进展ＧＰＳ全球定位技术作为一项高新技术，以前国内主要应用于铁路、空运及海运领域，随着GＰS全球定位系统技术日趋成熟，该技术开头转向公路运输领域。目前，ＧPS车载定位系统主要用于公交、出租、客运等行业。通过GPS定位技术可以很好地解决公路交通拥挤的现象,GPＳ车辆定位系统是借助于ＧPS全球定位系统为机动车辆供应定位信息的系统。GＰS系统可以供应全球掩盖、全天候、免费的高精度标准授时／导航定位服务,通过GPS接收机可以实时地获得经纬度信息进行确定经纬度位置和速度、时间等信息车辆定位系统将获得的一系列信息进行处理以确定车辆的简略位置。日本，丰田、HYPERＬＩNＫ"http：／/www。c１１4．net/keyword／%B6％AB%D6%A5”＼ｔ"_bｌanｋ＂东芝、HYＰＥRLＩNK"ｈttp://ｗww．c１14。nｅｔ／ｋeywｏrd/%ＣB％F7%C4%E1”\ｔ＂＿blank＂索尼等在轿车导航系统方面的讨论处于世界领先地位.1９９１年,东芝公司轿车导航系统，采纳一种可操作的电视GPS接收机,可显示沿途饭店、旅馆和商店等信息。1994年，索尼公司推出一种带电子地图的汽车导航系统,将一个8通道的GＰS接收机与CＤ—ＲOM格式的地图及信息数据库结合在一起,并能接收调频无线电广播发送的交通流量信息。奔驰、丰田、本田等大公司,乐观开发自己的导航信息系统，拓展导航信息服务市场。在美国，克莱斯勒公司研制了一种基于ＧPS的车辆导航系统，该系统在失去卫星信号后，可用罗经ＨYPEＲLＩNK＂httｐ：//ｗｗw。c114。ｎet／keｙworｄ/%BA％ＣD％ＢＣ％C7”\ｔ”_ｂｌank＂和记程计工作，保持车辆连续导航。威斯汀豪斯公司使巴黎的公共汽车领先使用车辆调度和导航系统.3．2GPS与车辆导航系统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，车辆定位导航应用进展最快，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。虽然汽车是人们日常生活中的一部分，但是,拥有小汽车并不肯定使我们的生活变得更加便利.公共交通工具是在固定的交通路线上行驶的，与此不同的是,小汽车和卡车司机需要知道到达目的地的路线以及何处可以停车。如果道路网错综简洁,那么,司机就很容易迷路，这种情况，既令人着急,又浪费宝贵的时间.车辆导航系统就像一个自信的领航员坐在汽车的副驾驶位置上,指引司机一点也不用费劲即可按时到达目的地。即使有了导航系统,如果司机的方向辨别能力太差,也是容易迷路的。如果将你目前所处的位置和目的地在显示屏上标出来，那么,事情就好办了。显示屏上的箭头表明你的当前位置,并向你建议朝哪个方向行驶，可以到达目的地。有的导航系统具有声音导航提示功能,如前面对右拐,或者你离目的地还有一半的路程。因此，司机就不需要频繁地看显示器了。导航系统的另一个具有吸引力的性能，是资料信息软件库,该软件库将饭店、高尔夫球场和其他娱乐场所等当地的道路信息集合在一起。所谓ＧPS车辆导航系统，就是利用接收GPS信号对机动目标进行监控和定位,并依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、削减能源消耗、保障行车平安等多方面的利益。车辆GPS定位导航系统的正常运转至少需要掩盖全球的ＧPＳ卫星系统、轻松牢靠的ＧＰS接收机、快速强大的运算系统、掩盖面广内容详实的电子地图以及无线通讯网络等附属设施。3.２。１车辆定位技术车辆定位技术是整个车辆导航系统的基础,系统中几乎全部的功能都以车辆定位的精确度为前提。车辆定位的精确度和实时性直接关系到一个智能交通系统的有用价值和整体性能。由于车辆定位技术在车辆导航系统中特殊且有重要的作用，车辆定位技术始终是各种车辆导航系统讨论和开发机构的重点课题。GPS全球定位系统是由美国提出并实施的一项浩大的宇宙及航天工程,其最初的目的是为美国军方服务,但随着近年来GPS技术的民用化，它逐渐成为了一个全球性的工具。在陆地上的HＹPERLINK"httｐ：//wｗｗ.ｃ1１４。net/kｅyｗoｒd／%D2%C６%Ｂ6％AF＂\t＂_blank＂移动信息系统方面,GPＳ逐步被应用到平安保障、车辆导航领域.ＧPS定位精度高、实时性好,基本上能够满意将来ＩTS中车辆导航系统的精度要求。因此，基于ＧPS的车辆自动定位/导航与管理系统的开发与应用正日益受到国内外各部门的高度重视，并将显示出巨大的经济和社会效益。3。2．2GPS车辆定位系统硬件设计车载设备的简略工作环境要求GＰＳ车辆定位系统的体积要尽可能小，牢靠性要尽可能高.因此,系统硬件核心部分适宜选择某种嵌入式计算机.随着计算机技术的飞速进展，在产品中嵌入微机作为掌握器已开头随处可见。由于PＣ体系结构的广泛流行,与PC兼容的软件、硬件、外设和开发工具都比其它体系结构更丰富、更廉价,将PＣ体系结构用于嵌入式应用就意味着能够大幅度地降低开发成本、减小风险及缩短开发周期，而且削减了很多令人头疼的系统维护和技术支持.PC/1０4计算机可以满意以上要求，它体积小、集成度高,供应与PC总线在体系结构、硬件和软件上的完全兼容，而且结构紧凑的栈接式模块很适合嵌入式掌握应用的独特要求.由于使用ＨＹPERLIＮK”htｔp：//wｗｗ．c114.ｎeｔ/keｙword/CMOS"\t"_ｂｌａnk”CMOS器件,ＰC／1０４模块功耗低，不存在散热问题，工作温度范围宽（0－７００℃）;结构紧固，格外紧凑，所占面积只有90mm×96mm,超小的体积使安装和携带都很便利；削减了产品部件的数量；由模块构成的系统,直接叠装，无需机箱和底板；具有良好的抗冲击、抗震特性。己有的PC／１04模块为构造嵌入式系统供应了种类繁多的各种构件,它高集成性和可模块化的结构适用于多种应用.3.2．３基于GＰＳ导航技术的电子地图电子地图是ＧPS导航系统的重要组成部分，它是导航系统与用户的界面，它把接收到的导航定位信号和机动目标行驶范围的地理特征相结合,动态而直观的对目标的运动进行管理和指导，而使用户无须了解接收到的数据的含义就可以便利简洁的使用导航系统。电子地图还是对导航系统性能的扩展，由于电子地图是由相应软件组成,它可便利的实现各种功能，最大程度的发挥导航系统的潜能，做到便利、精准、快捷，而无须进行硬件方面的调整。3．２.4地图匹配技术车辆在电子地图上显示的行驶路径是定位技术测得的。然而,不论是哪种定位技术都有其无法克服的局限性。无线电导航技术依靠于外界设备，其定位精度或受无线网掩盖面积的限制(如SignＰｏＳT)或受定位信号精确度的影响(如GＰＳ）；推测导航技术的精确度则受方向探测仪及车速脉冲设备精度的限制,且其存在积累误差，即随着车辆行驶距离的增加,误差越来越大。由于这些误差,使车辆的位置消灭偏差。地图匹配是一项确定车辆在地图上位置的技术，其纠错技术恰恰避开了定位技术无法克服的局限性.地图匹配指ＧPＳ接收机测量到其载体当前的有关位置信息后,再从电子地图数据库中猎取有关信息,然后通过匹配算法得到载体位置等的偏差信息,并对其进行实时修正，从而精准显示车辆的位置。可以说，地图匹配算法的效果直接关系到车辆定位的精度,地图匹配技术是决定导航产品最终性能的关键技术，因此，GPS、电子地图相结合并通过地图的匹配算法实现的组合导航技术是一种比较抱负的导航方式。４车载ＧPS系统的应用实例ＧPＳ技术在汽车导航和交通管理工程中的讨论与应用目前在中国刚刚起步,而国外在这方面的讨论早已开头并已取得了肯定的成果。加拿大卡尔加里高校设计了一种动态定位系统，该系统包括一台捷联式惯性系统，两台GＰS接收机和一台微机，可测定已有道路的线形参数,为道路管理系统服务。美国研制了应用于城市的道路交通管理系统，该系统利用ＧPＳ和GIS建立道路数据库,在数据库中包含有各种现时的数据资料，如道路的精准位置、路面状况、沿路设施等，该系统于1995年正式运行,为城市道路交通管理起到重要作用。近些年来国外研制了各种用于车辆诱导的系统，其中车辆位置的实时确定以往主要依据惯性测量系统以及车轮ＨＹPEＲＬIＮK"hｔｔｐ://wｗｗ．ｃ114。ｎeｔ/keｙwｏrd/%Ｂ４%AB％Ｂ8％D0％C６%F7＂＼ｔ"_blank”传感器,随着GPS的进展和所显示出的优越性,有取代前两种方法的趋势。用于城市车辆诱导的GPS定位一般是在城市中设立一个基准站，车载GPＳ实时接收基准站放射的信息，经过差分处理便可计算出实时位置,把目前所处位置与所要到达的目标在道路网中进行优化计算,便可在道路电子地图上显示出到达目标的最优化路线，为公安、消防、抢修、急救等车辆服务.4．1私用车辆的外出旅行GＰＳ多功能车载导航系统对于外出旅行的私用车辆的好处是显而易见的，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供应所需的娱乐服务。4．2运输车队的管理和调度对一个运输车队而言，进行货物运输或者旅行客运的合理调度是提高车队运营效率，节省能源的重要关键。车辆可以通过车载导航系统动态调整行车路线,按最佳路线行驶，从而可以节省能源,同时，交通中心可以实时跟踪车辆的位置，按简略的运输任务来支协作适的车辆,从而可以削减车辆的空运率，提高车队运营效率，而且，车载导航系统还可以将每一辆车所经过的路线存储起来供管理部门查询，这样,管理部门可以直接便了管理。4。３对车辆的平安防护车载导航系统对车辆的平安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掌握台，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。４.４公交车辆的调度和管理城市规模的日益扩大和公共交通的快速进展，一方面使得客流量日益扩大，车辆增加，车次增多;另一方面导致交通拥挤、车辆增加、行车速度下降、行车间隔不均匀，常常消灭串车和车次间隔加大的现象，增大了调度工作的难度。造成这种状况的主要缘由是调度人员无法实时了解道路交通状况,难以准时实行有效的调整措施。利用车载导航系统对公交车辆进行监督管理,可以依据动态交通信息，实时调整车次,改善公交车辆的运营效率，摆脱公交调度的落后状况。4。5在1２0急救中的应用在医疗抢救领域，抢救病人最关键的因素是能在最短的时间内到达现场.一般情况下,人们通过拨打120抢救专线来取得帮助。但是，这里存在一个关键问题，那就是打120电话要花费一些时间,容易延误抢救时间,然后，1２0车赶赴现场也需要一段时间，这个时间是在整个过程中最长的，假如路线恒定，那么耽误时间最长的是寻找现场的时间（假设12０车可以顺利的闯红灯）。所以为缩短路程时间，120车必须在动身之前就精确的知道病人地点,如果能实现达到这个效果，对当事人和医院来说都是有利的。因此建立一套能够对急救车辆进行实时统一指挥调度的系统显得十分有必要.依据很多城市的急救中心报告,在其急救车上装备GPＳ卫星定位调度系统之后,从接到急救电话至抢救车赶到病人所在地所花费的时间平均可缩短2分钟,这主要是由于医院从调度中心的ＧPS系统上可很快找到离病人最近的可抢救车以及可以指挥抢救车以最快的速度找到病人。可以想象，对那些被紧急抢救的病人来讲，这２分钟是多么宝贵！这套车载GPS系统安装后最重要的就是便于准时与病人家属沟通。以前遇到远一点的病人，车子发出了，可是对方不知道什么时候能到，中心也无法知晓路上状况，结果车到了，病人却自己打的到医院。跑空车这种情况常常发生，为工作带来很大不便。现在中心能随时告知病人家属急救车在什么位置，多久能到达，为病人的准时抢救赢得了时间，也让病人家属减缓等待的着急心情。4。6ＧＰS在公安警车中的应用当监控中心收到报警信息时，触动声光报警器,可起提示作用，系统软件弹出报警车辆的简略信息，包括：车主的姓名、性别、联系电话、所属公司等信息，接警员通过以上车主信息与该车辆联系，进行警情确认，如果是假警情,解除警情；如果是真警情，通知主管部门，报知该公司车辆消灭警情,并对1１0指挥中心进行报警，指挥中心可依据报警车辆位置予以快速出击，在尽量少的时间内解除警情，解警后反馈到监控中心,监控中心警情记录存档(报警时间，处警