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研究引言近年来，随着经济的飞速发展，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，大力发展智能交通系统(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(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，从而避免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，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。车辆定位与导航可采用各种技术手段进行，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绪论自六十年代以来，许多国家即开始对导航和定位技术的研究。开始，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发展，导航和定位系统的器件开始向小型化、轻型化、低廉化方向发展。于是，导航和定位系统开始逐步进入消费市场，特别在交通方面(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，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。车辆导航系统发展起始于七十年代初，美国公路局于70年代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AMTICS系统等。进入九十年代后，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的。在九十年代，以GPS为基础的导航系统不断地完善，在国内外都进入了实用阶段，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发展，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。该系统可提供地球上所有点的三维坐标。美国五角大楼利用GPS提供的导航数据以应付险峻地形和各种突发情况，同时它也控制着此系统。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认识。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日子夜开始，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定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为己知的起算数据，采用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卫星和用户接收机天线之间的距离(或距离差)为基础，并根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定位方式主要有绝对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研究在国外起始于上世纪70年代，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，在国内获得了迅速发展。中国科技大学GPS实验室在其中也做出了开创性的工作。3.1GPS车辆导航系统的发展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，该技术开始转向公路运输领域。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提供定位信息的系统。GPS系统可以提供全球覆盖、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具体位置。日本，丰田、东芝、索尼等在轿车导航系统方面的研究处于世界领先地位。1991年，东芝公司轿车导航系统，采用一种可操作的电视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，积极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，可用罗经和记程计工作，保持车辆继续导航。威斯汀豪斯公司使巴黎的公共汽车率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。虽然汽车是人们日常生活中的一部分，但是，拥有小汽车并不一定使我们的生活变得更加方便。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。如果道路网错综复杂，那么，司机就很容易迷路，这种情况，既令人焦急，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，如前面向右拐，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。车辆GPS定位导航系统的正常运转至少需要覆盖全球的GPS卫星系统、轻便可靠的GPS接收机、快速强大的运算系统、覆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，系统中几乎所有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实用价值和整体性能。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，车辆定位技术一直是各种车辆导航系统研究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庞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。在陆地上的移动信息系统方面，GPS逐步被应用到安全保障、车辆导航领域。GPS定位精度高、实时性好，基本上能够满足未来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具体工作环境要求GPS车辆定位系统的体积要尽可能小，可靠性要尽可能高。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发展，在产品中嵌入微机作为控制器已开始随处可见。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、更便宜，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，而且减少了许多令人头疼的系统维护和技术支持。PC/104计算机可以满足以上要求，它体积小、集成度高，提供与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控制应用的独特要求。由于使用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，非常紧凑，所占面积只有90mm×96mm，超小的体积使安装和携带都很方便；减少了产品部件的数量；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提供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方便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，它可方便的实现各种功能，最大程度的发挥导航系统的潜能，做到方便、准确、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。无线电导航技术依赖于外界设备，其定位精度或受无线网覆盖面积的限制(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，使车辆的位置出现偏差。地图匹配是一项确定车辆在地图上位置的技术，其纠错技术恰恰避免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获取有关信息，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，从而准确显示车辆的位置。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理想的导航方式。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研究与应用目前在中国刚刚起步，而国外在这方面的研究早已开始并已取得了一定的成果。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，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传感器，随着GPS的发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实时接收基准站发射的信息，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。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，节约能源的重要关键。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，从而可以节约能源，同时，交通中心可以实时跟踪车辆的位置，按具体的运输任务来安排合适的车辆，从而可以减少车辆的空运率，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对车辆的安全防护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。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发展，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，经常出现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原因是调度人员无法实时了解道路交通状况，难以及时采取有效的调整措施。利用车载导航系统对公交车辆进行监督管理，可以根据动态交通信息，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救护领域，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救护专线来取得帮助。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车必须在出发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。根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，从接到急救电话至救护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救护车以及可以指挥救护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及时与病人家属沟通。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。跑空车这种情况经常发生，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，为病人的及时抢救赢得了时间，也让病人家属减缓等待的焦急心情。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具体信息，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，报知该公司车辆出现警情，并对110指挥中心进行报警，指挥中心可根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