GPS车辆导航原理及其应用

1、毕业作业题 目：GPS车辆导航原理及其应用 学习中心： 专 业： 机电一体化技术 年 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 2013年 5 月 31 日 毕业作业任务书 学习中心机电一体化技术专业2013春年级 同学（学号）： 经研究决定，你的毕业作业题目为： GPS车辆导航原理及其应用 指导教师为： 请你于 2013 年 4 月 6 日- 2013 年 5 月 31 日期间完成。指导教师：（签字） 2013年 5 月 31 日学 生：（签字） 2013年 5 月 31 日 毕业作业指导教师评语学习中心专业机电一体化技术年级 2013春 学号 学生 ： 毕业作业题目 GPS车辆导航原理及其应用

2、 指导教师评分参考标准序号项 目满分1选题合适202观点明确、正确303材料丰富、翔实254逻辑严密、结构严谨155语言文字流畅、优美10合 计100评分： 评语： 指导教师（签字）： 2013年5 月 31 日GPS车辆导航系统的原理和运用随着我国现代化进程的加大，城市化步伐越来越快，人民生活水平不断得到提高，交通系统越来越发达。作为人民生活必不可少的“行”，公共交通运输的经营管理、合理调度和安全管理已成为交通系统中的一个重要问题。因此，GPS定位技术的出现，给各位车辆终端，公交系统的实时定位及车载导航提供了可行性。GPS即全球定位系统(Global Positioning System)。

3、这是一个由覆盖全球的24 颗卫星组成的卫星系统。GPS的工作原理，简单地说来，是利用我们熟知的几何与物理上一些基本原理。首先我们假定卫星的位置为已知，而我们又能准确测定我们所在地点A至卫星之间的距离，那么A点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的圆球上。进一步，我们又测得点A至另一卫星的距离，则A点一定处在前后两个圆球相交的圆环上。我们还可测得与第三个卫星的距离，就可以确定A点只能是在三个圆球相交的两个点上。根据一些地理知识，可以很容易排除其中一个不合理的位置。当然也可以再测量A点至另一个卫星的距离，也能精确进行定位。这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星，以保

4、证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度, 以便实现导航、定位、授时等功能。它是由空间卫星、地面监控和用户接收等三大部分组成。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。现在，GPS信号几乎遍布整个地球，其全球性、全能性、全天候性的导航定位、定时、测速优势必然会在诸多领域中得到越来越广泛的应用。一、GPS技术的起源和发展 自上世纪六十年代以来，发达国家出于对军事安全和精确打击上的考虑，开始对导航和定位技术进行研究。美国的“民兵巡航导弹系列”率先使用了该技术。随着国际大环境的和平化和现代科技的不断发展，导航和定位系统开始向小型化、商业化、民用化方向发展

5、。特别在交通方面，导航系统通过GPS与话音指南，让驾驶者准确地掌握路段路况，从而做到交通流的引导和疏通。车辆导航系统通过测量并解算出车辆的瞬时运动状态和位置,提供给驾驶员或自动驾驶仪以实现车辆的正确操纵或控制。车辆导航系统起源于上世纪七十年代初，美国公路局提出的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。到了八十年代，随着无线电通讯技术和计算机技术的不断发展，欧、美、日先后开发了CARIN系统、EVA系统、LOREN系统、OMEGA系统、RACS系统和AMT1CS系统等。进入九十年

6、代后,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系统开始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发展。从导航和定位技术的发展过程来看,它的发展和相应时代的技术发展是并行；而从实践中得知，不论以什么技术为核心形成的系统，其导航和定位都有一定的偏差;如通过陀螺仪、里程表和磁罗盘测量位移和方位的航位推算系统，其准确度随着车辆的运行而下降；而以无线电通讯为基础的LOREN和OME以系统，由于其无线电中转信息站位于地球表面，所以其覆盖的地球表面面积比较小，而且遇到高地和障碍物时,就失去了定位能力，建立全球的定位系统则花费巨大。美国于七十

7、年代开发的一种自主导航系统在航迹推算系统的基础上，附加了地图匹配功能以提高定位精度；在九十年代，以GPS为基础的导航系统不断完善，在国内外都进入了实用阶段, GPS定位导航技术于近年也得到了巨大的发展，如西安504所开发的wPZO00系统，其主要用于导航和报警方面。目前国际上已经形成了日本、欧洲和北美三大市场。日本是汽车导航产品概念的市场推广者，经过技术发展和市场推广，产品技术和工艺日趋成熟，并在同类导航产品的技术先进性上处于领先地位。汽车导航系统一般具有以下基本功能：GPS卫星导航定位、电子地图浏览查询、智能的路线规划、全程的语音提示。其中，电子地图的数据量与详细程度最为重要，汽车导航最主要

8、的功能之一就是任意两点最佳路径建议功能。驾驶者只需将目标点输入，导航系统便会自动根据当前的位置，为车主设计最佳路线。另外，它还有修改功能，假如驾驶者因意外没有走系统推荐的最佳线路，车辆位置偏离最佳线路轨迹200m以上，系统会根据车辆所处的新位置，重新自动为车主设计最佳路线。二、发展车辆GPS系统的必要性 随着国民经济的高速发展、城市化进程的不断加快，我国机动车保有量和交通运输量急剧增加。交通拥挤阻塞、交通事故、环境污染是我国城市化进程中的一大问题，甚至是当地交通运输部门和城市规划部门面临的“心病”。目前，GPS的应用越来越广泛，特别是针对移动目标的监控和管理。但是光有GPS 系统是不够的，它只

9、能够接收定位卫星发送出来的数据，计算出用户的三维位置、方向以及运动速度和时间方面的信息。用户手中的GPS接收设备要想实现路线导航功能还需要一套完善的包含硬件设备、电子地图、导航软件在内的汽车导航系统。 近几年，GPS导航技术发展迅速。随之而来的是各类车辆监控平台的急剧发展和资本的大量涌入，各运营商纷纷试水，试图在GPS业务这块蛋糕中分一杯羹。作为行业车辆的主管部门，各地方城市的交通营运部门纷纷出台相关规范，要求各类行业化车辆必须安装GPS，达到规范管理和保障安全。目前汽车是物流、货运、押运、特种化学品运输等行业最为重要的交通工具，有了虚拟地图和导航定位技术，人们可以为直观的看到车辆到了哪里，车

10、辆的速度是多少，正在向哪个方向行驶等GPS信息。这对于对应行业和车队管理人员来说，GPS导航技术对车辆的管理和安全保障都有着非常重大的意义。更为政府对危险类车辆的监控，防范巧应急处理做出了巨大的贡献。三、国外主要的定位系统目前世界上已经建成并投入使用的，较为先进的全球卫星导航定位系统有美国全球定位系统(GPS)和欧洲正在建立的“伽利略” (Galileo)系统。1.美国的GPS系统美国于1995年4月27日实现了GPS系统的完全运作。GPS系统空间部分由24颗卫星组成,卫星等间距分布在6个近圆形轨道面上,轨道高度为20180km。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

11、建立道路数据库，在数据库中包含有各种现时的数据资料，如道路的准确位置、路面状况、沿路设施等，为城市道路交通管理发挥了重要作用。2.欧洲的Galileo系统欧洲1999年2月10日，欧洲委员会(EC)公布了欧洲导航卫星系统Galileo计划，该系统是与美国GPS系统兼容的民用全球定位卫星系统。2002年3月26日，欧盟15国交通部长会议一致决定正式启用Galileo许划。2003年5月26日，欧空局(ESA)15个成员国就联合开发了Galileo系统达成协议。2003年7月10日，Galileo系统的首批两颗卫星合同授出。目前国际上已推出几十种测量用的GPS接收机，各厂商的产品朝着实用、轻便、易

12、于操作、美观价廉的方向发展。加拿大卡尔加里大学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，如道路的准确位置、路面状况、沿路设施等，为城市道路交通管理发挥了重要作用。四、国内的GPS定位系统 随着经济发展和市场化的不断普及，手机和汽车早已成为大众的必备品，因此，国内的GPS定位系统已经成为最受关注的手机软件和车载软件。从以前的车载GPS导航，到现在随时随地拿出手机就能作为GPS导航，GPS定位系统在

13、市场化冲击和用户体验中不断发展。近几年，GPS定位系统在交通领域上大放异彩，比如无线公交系统,用于定位自己所要乘坐公交车的位置，比如各种叫车软件，可以定位自己的位置并通知附近空闲的出租车方便出行等。GPS定位系统已经在人们的日常生活中占据了一个不可代替的位置。造成GPS定位技术在国内发展迅速的原因主要是由于GPS定位系统具有如下特点：第一，定位精度高。实践证明，GPS相对定位精度在50千米以内可达6到10米，100至500千米可达7到10米，1000千米可达9到10米。在300到1500千米工程精密定位中，观测1小时以上的平面位置误差小于1毫米。第二，观测时间短。随着GPS硬件和软件的不断更新

14、发展，目前，20千米以内的相对静态定位，仅需15到20分钟;快速静态的相对定位测量时,当流动站和基准站在相距15千米以内时，流动站观测的时间只需1到2分钟，然后就可以随时更新定位信息，更新时间只需要几秒钟。第三，测站间无须通视。GPS测量时仅要求测站的上空开阔，不要求测站与测站之间互相通视，因而不需要造佔标。这一特点极大的减少了GPS技术的投入成本。目前我国GPS技术在汽车导航和交通管理工程中的研究已经取得了优异的成绩, 并且达到实际应用的技术水平。但GPS技术在我国道路工程和交通管理中的应用还刚刚起步，相关部门要求在一些特定的车辆上，如银行的运钞车、运送危险物品的车辆上安装GPS系统，以便能

15、更好的掌握这些车辆的运行情况，确保安全。我国车载终端导航系统还不够普及，因此商业化市场的潜力巨大。而用户对导航系统的认可度仍有待进一步的加深，导航系统也需要优化完善，来满足用户越来越严格以及多样化的要求。五、车辆GPS导航技术和应用分析 目前随着应用范围的不断扩大，可供选择的车辆跟踪和导航技术不断增加。目前主要的GPS技术是：在一个精确定位的点上使用基地接收机，用来监视地方FM台的立体导向器的信号。基地接收机接收并向流动的接收设备传送相关信号，这样就可以根据立体导向器的信号在大约20cm的精度范围内多边测定他们的位置。三维导航是GPS的基础功能和首要功能，飞机、船舶、地面车辆以及步行者都可利用

16、GPS导航接收器进行导航。汽车导航系统是在全球定位系统GPS的基础上发展起来的一门新型技术，主要由两部分组成：一部分由安装在汽车中的GPS接收机、GPS导航、自律导航、微处理器、车速传感器、陀螺传感器、CD-ROM驱动器、LCD显示器组成；另一部分由计算机控制中心组成，两部分通过定位卫星进行联系。利用GPS和电子地图可以实时显示车辆的具体位置，可对重要车辆和货物进行远程跟踪，并可以任意放大、缩小、还原、换图；可以随目标移动，使目标始终保持在屏幕上；还可实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪。提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要辅助功能，它包括自动线路规划和人工线路设计。自动线路规划是由驾驶者确

17、定起点和目的地，由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线，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的计算。人工线路设计是由驾驶者根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等，自动建立线路库。线路规划完毕后，显示器能够在电子地图上显示设计线路，并同时显示汽车运行路径。车载导航系统具有方便、节时、减轻驾驶者出行疲劳和负担的优点，同时增加了安全性、减轻了司机的压力。同时都具有分散司机注意力、系统操作失灵及超出数据库容量限制等的缺点。随着车载终端导航系统的普及，越来越多的用户发现，主要道路的交通信息和导航系统的精确率很高，但是在错综复杂的城市交通路网体系中，特别是支路、辅助路等方面，导

18、航系统的精确度强差人意。不仅如此，由于城市化进程的加剧和城市建设的必然性，电子地图更新频率需要不断加快，整套导航系统的建设维护也需要不断的完善，才能满足用户的要求。GPS导航系统要想在未来市场上抢占先机，必先满足以下要求： 1）系统必须有能力将车辆当前位置转换为地图坐标，然后转换到最合适的路段位置；系统能够将车辆当前位置显示在地图上并能让驾驶者看到；2）系统能够接受目的地请求并给出到达目的地的最佳路线；3）系统能根据整个规划路线的相关方向的行驶指令输出语音和视觉指示：系统能确定车辆是否“偏离路线”即偏离规划路段；4）系统能从当前错误位置开始重新规划路线来纠正“偏离路线”状态。为修正GPS卫星导

19、航和自律导航所测到的汽车位置坐标数据、前进方向都与实际行驶的路线轨迹两者之间的误差，与地图上的路线统一，需采用地图匹配技术，加一个地图匹配电路，能够对汽车行驶的路线与电子地图上的道路误差进行实时相关匹配作自动修正。GPS导航系统与电子地图、无线电通信网络及计算机车辆管理信息系统相结合，可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能。六、车载GPS导航系统的应用建议 人们对导航系统持肯定态度，这解决了在出行方面上由于驾驶者对路况路线的不熟悉所导致的时间浪费问题，但部分人把导航系统当成一种理想的出行指导模式。市场化条件下，系统制造商在面对经济竞争时所面临的最大挑战，就是面向消费者进行宣传，使其明白导航系统的

20、优势和对消费者所能获得的便利。在宣传时，可通过以下方式增强产品的优势和说服力：1）强调系统的可操作性及系统所提供的信息准确性；2）强调系统提高效率、减少时耗的能力，例如通过演示告知有潜在需要的消费者在出差旅游时，导航系统是如何实现节时、省油，提高效率准时到达目的地的。并强调系统对目的地的指引能力。对于没有亲自操作过导航系统的潜在消费者来说，了解导航系统同这一核心能力很有必要。因为它可以保证驾驶员安全、自信、毫无压力地驾驶。4）强调语音提示的交流方式,通过使用多种语言语音，提供多种不同类型语调，吸引年轻一代的顾客。以语音提示方式对汽车行驶期间所要采取的机动驾驶做出预告,会使驾驶员在任何陌生的环境

21、条件中及时提前做出准备，不会因此而错过诸如高速公路出口、十字交叉口以及仓促操作可能引发的事故隐患。对年轻人来说，对比刚性的出行要求，驾驶重在乐趣。一趟有趣的旅程会令年轻人加深对导航系统的便利性认识，并转向对朋友的宣传。5）由于系统暴露给消费者的可操作界面是兴趣点目录，因此兴趣点目录是制造商完善导航系统时不能忽视的方面。需要注意的有如下几点：（1）精进的数据库。为了使消费者对配备的导航系统感到满意，必须从深度和广度上扩大兴趣点内容，使消费者感到切身的便利；（2）兴趣点目录不能仅限于紧急救助设施，而娱乐、购物、商业等设施必须充分考虑，使消费者出行前第一时间想起导航系统；（3）数据库更新与升级。信息的成本、升级的范围、更新的周期、与用户保持联系并使其升级系统等,都是亟待解决的问题。（4）提高产品的性能,特别是语