第十章汽车导航系统
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第十章汽车导航系统. 第一节概述 第二节 GPS 的工作原理 第三节汽车 GPS 的作用类型及特点 第四节汽车导航技术的发展前景. 第一节概述. 一、卫星定位导航系统

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第十章汽车导航系统

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第十章汽车导航系统

  • 第一节概述

  • 第二节GPS的工作原理

  • 第三节汽车GPS的作用类型及特点

  • 第四节汽车导航技术的发展前景


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第一节概述

  • 一、卫星定位导航系统

  • 目前,世界上正在运行的全球卫星定位导航系统主要有两大系统,即美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS(格鲁纳斯)系统。近年来,欧洲也提出了具有自己特色的GALILEO(伽利略)全球卫星定位计划。中国在21世纪初也已开始建设拥有自主知识产权的全球卫星定位导航系统,即北斗星卫星导航系统。该系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止卫星组成,提供开放服务和授权服务两种服务方式。在太空的全球卫星定位导航系统方面,将形成美、俄、欧、中“四强争霸”的格局。

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第一节概述

  • 由于美国的全球卫星定位系统GPS在大多数国家和地区得到了广泛应用,这里主要介绍美国的GPS系统

  • 卫星定位系统(Glohl Positioning System , GPS)目前是广泛应用于汽车的定位导航系统。它是基于美国发射的24颗共同作用的军用卫星网络,实现世界范围导航的。24颗卫星分布在互成60°的6个椭圆轨道面上,如图10一1所示。

  • GPS是以24颗定位人造卫星为基础,向全球各地全大候提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电定位导航系统。GPS汽车定位系统如图10 -2所示,它由三部分构成,一是地面控制部分,由主控站、地面大线、监测站及通信辅助系统组成。二是空间部分,由24颗卫星组成,分布在6个轨道平面。三是用户接收部分,由卫星大线、GPS接收机和数据处理软件组成。

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第一节概述

  • GPS的主要特点:全大候;全球覆盖;三维定位、三维定速、定时、高精度;快速、省高效率;应用广泛、多功能

  • GPS的应用:

  • ①陆地应用,主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测和市政规划控制等。

  • ②海洋应用,包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降检测等。

  • ③航空航大应用,包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航大器防护探测等。

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第一节概述

  • 二、合成导航系统

  • 如果没有地面标记和不能持续地按大文方法确定地点,则需要采用合成导航,如图10 -3所示。

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第二节GPS的工作原理

  • 一、GPS定位原理

  • 1.地理坐标系

  • 物体在很大空间范围内的位置只能依靠适当的参考系才能确定它的方向和地点,如确定大空星星的位置,可取太阳或可见山峰为参考系。为确定物体位置的参考系统至少要确定参考系统的原点和零点以及相应的主方向。在实际中用坐标系确定物体位置,位置参考系统之一就是笛卡尔直角、直线坐标系,如大家熟知的城市地图。

  • 要在地球上的很大空间确定物体的位置就无法再用笛卡尔坐标系,只能采用带圆形线网格的地理坐标系。

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第二节GPS的工作原理

  • 在北南方向并在两极相交的所有坐标线称为子午线。子午线在赤道按角度距离分为东经度和西经度,零子午线始于伦敦的格林尼治,这就是经线。第二组坐标线从东向西,并与所有的子午线成直角相交。赤道是北纬线和南纬线计数的始点。对这样的坐标线作适当修改就能用于实际的地球体。只是这些坐标线不再是圆形的,而是复杂的曲线。根据这些曲线就可用两个数确定地球上的每一个点。

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第二节GPS的工作原理

  • 在地图上画出地球表面纬线有一种适用于地面导航的有效的坐标系方法,如麦卡托(Mersaton)投射法和以此为基础的通用横向麦卡托投影法(Univesale Transversals Mersaton-Projektion, UTM )。其方法是:画出从地球引出的投影射线落向圆柱形罩上的球形的地球表面上的每一个点,这些点一方面靠在赤道线上,另一方面旋转90°靠在子午线上,如图10 -4、图10一5所示。在不断制作时会出现不可避免的失真,需用失真因数进行修正。展开圆柱形罩就可得到一张平面图。

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第二节GPS的工作原理

  • 2. GPS定位原理

  • 24颗GPS卫星均匀分布在离地约20 000 km的位置,并在6个不同的旋转轨道上每12h绕地球转动一次,并且每秒50次向地球发送专门的位置信号、识别信号和时间信号

  • 在任意时刻,地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。由于卫星的位置精确可知,在GPS观测中,我们可得到卫星与接收机之间的距离,利用三维坐标中的距离公式、3颗卫星,就可以组成3个方程,解出观测点的位置(X, Y, Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差,实际上有4个未知数,X, Y, Z和钟差,因而需要引入第4颗卫星,形成4个方程式进行求解,从而得到观测点的经纬度和高度

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第二节GPS的工作原理

  • 导航卫星定位一般需要4颗卫星,用户根据卫星发射的星历表信息,通过接收机自动地选择能提供最佳几何图形的4颗卫星,到4颗卫星的距离分别等于信号传输时间乘以光速。用户根据卫星发射导航电文中的星历表参数,随时可计算出每颗卫星在发射信号时的位置。当使用不精确的时钟测量时,到卫星的距离称为“伪距离”,这个距离不是用户到卫星的真正距离,其中还包括卫星时钟偏差、用户时钟偏差以及信号传播延迟引起的测量误差。

  • 卫星时钟与全球定位系统时间必须精确同步才能保证系统正常运行,通过每颗卫星采用的原子钟频率标准和控制部分提供的时钟校正参数可实现同步。如果用户有与全球定位系统同步的精确时钟,则用3颗卫星就可以完成定位工作,如图10一6所示。

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第二节GPS的工作原理

  • 用3颗卫星来测定用户位置,可消除每次距离估算所产生的固定距离偏差。从图10一6中可以看出,3颗卫星的伪距离半径不相交于一点,而是呈一个三角形。但是,总可以找到一个固定距离L,当从伪距离中减去或加上这一固定值时,该值可使3颗卫星的伪距离半径相交于一点,此点即是用户位置。图中3颗卫星和用户才处在一个平面内,当采用4颗卫星的距离进行三维定位时,其原理相同。

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第二节GPS的工作原理

  • 二、电子地图

  • 1.电子地图的种类

  • 比较具有代表性、先进性的电子地图主要有以下两种。

  • (1 ) Etak导航电子地图。美国Etak公司先后研制了各个国家、地区的高精度的电子地图,包括美国、法国、德国、中国香港等国家和地区的导航电子地图,其中美国3. 0和3. 4版本的电子地图覆盖了美国100多个主要城市地区,其使用的地图比例为1: 24 000;版本4. 0导航电子地图导航型具有最佳路线寻找、地名匹配等功能。

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第二节GPS的工作原理

  • (2)日本导航电子地图。日本导航电子地图联盟由82个日本公司组成。这些公司生产经营电子地图、车辆导航设备等。1988年,该联盟研制出第一版本的电子地图,地图比例为1: 50 000和1: 25 000 。 1993年,日本的城镇及农村公路网的电子地图数据量已达2GB,并且有50多万辆汽车安装了电子地图及导航系统。

  • 2.电子地图的组成及原理

  • 电子地图是由单一的CD一ROM机(或DVD一ROM机)及显示器组成。CD一ROM机和VCD原理是差不多的,都是先把图像的模拟信号(如纸地图)经过逐行扫描转换成数字信息,把压缩的数字信息记录在光盘上。在显示时,通过激光束自动跟踪照射到光盘(CD或DVD盘)上,由于光盘在制造时把数字信息变成了凸凹不平的机械信息,当激光照到凸凹不平的CD盘面时,又把凸凹不平的机械信息,回变成数字信息,计算机再把数字信息经过技术处理变成原来的模拟信号,与电视机相类似,通过逐行的扫描变成一幅幅静态信息—地图,在显示器的屏幕上显示出来。

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第二节GPS的工作原理

  • 3.电子地图应完成的任务

  • ①图形操作,包括地图的放大、缩小、平移和漫游等

  • ②信息查询,包括对单个目标的查询、某一属性目标集的查询

  • ③测量操作,包括测量两点之间的距离、目标的面积等

  • ④地图编辑,包括修改、插入、删除空间目标和属性等

  • 电子地图除完成上述任务外,还应以矢量数据为基础,进行查询和空间拓扑计算,为用户提供如下功能。

  • (1)地址匹配。

  • (2)地图匹配。

  • (3)最佳路径计算

  • (4)路径导航

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第二节GPS的工作原理

  • 三、GPS导航

  • GPS由空间卫星部分、地面控制部分和用户接收机三大部分组成。

  • 1.空间卫星

  • 24颗卫星分布在互成60°的6个椭圆形轨道面上,每个轨道上都有4颗卫星,运行周期为11 h 58 min,这样的卫星分布,可保证全球任何地区、任何时刻都有不少于4颗卫星以供观测。图10 -7为GPS空间卫星示意图。

  • 2.地面控制

  • 地面控制部分主要用来测量和计算每颗卫星的星历。也就是要监测每颗卫星的运行情况,并通过注入站及时修正卫星的有关参数,以保证整个GPS系统正常运行。

  • 地面控制由1个主控站、3个注入站和5个监测站组成。

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第二节GPS的工作原理

  • 3.用户接收机

  • 上述两大部分是由专门机构投资建立、维护和运行的,一旦工作,将不间断地提供导航信息。这些信息可供所有持有GPS接收机的用户使用。GPS接收机的基本构成如图10一8所示。

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第三节汽车GPS的作用类型及特点

  • 一、汽车GPS的作用

  • 1.车辆跟踪

  • 2.提供出行路线的规划和导航

  • 3.信息查询

  • 4.话务指挥

  • 5.紧急援助

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第三节汽车GPS的作用类型及特点

  • 二、汽车GPS的分类

  • 1.按汽车GPS产品的使用性能,可分为独立式和非独立式两大类

  • 2.按汽车GPS产品的配置方法,可分为以下6类

  • (1)手持型。手持型大多没有地图,有地图也大多是单线地图,没有语音导航,价格一般比较便宜,适合爬山、探险等户外运动使用,车中需要外加大线

  • (2)原装车载型。高级轿车往往配置原装车载GPS,一般需要借助插入的光盘提供导航地图,屏幕大,整合DVD等影音功能,有些有语音导航功能。

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第三节汽车GPS的作用类型及特点

  • (3)改装车载型。车辆购买后重新加装GPS,有嵌入式和外置式。新加装的汽车 GPS在市场上呈现快速增长的势头,一般有技术先进、外形美观、实用便捷、安装方便和导航精确等特点。

  • (4) GPS + PDA型。GPS + PDA型可分为连线性型、CF卡型和蓝牙型等,可以有语音导航功能,主要优点在于携带方便。

  • (5) GPS+笔记本电脑型。这种GPS可以用国产导航软件和地图数据,也可以用OZI软件+扫描的地图,可以有语音导航,除了放置不便这个缺点外,其他性能都比较优越。

  • (6)防盗黑匣子型。防盗黑匣子内含GPS ,控制部件、通信模块。有些含显示屏、电话手柄,有些可以通过短消息控制断油断电、锁止门窗,一般应用于防盗

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第三节汽车GPS的作用类型及特点

  • 三、汽车GPS的特点

  • (1)汽车GPS系统软件功能强大,以多媒体方式提供定位、最佳路径等信息,并具有娱乐功能,如RADIO、播放CD、查询股票行情和接收体育节目等

  • (2)适用范围广,在全国任何地方均可实现自导航

  • (3)可以利用无线通信网络实现异地查询道路信息。

  • (4)应用灵活、使用方便

  • (5)汽车GPS系统数据通信利用GSM/CDMA短消息功能,费用低廉,数据安全性高,传输速度快。

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第四节汽车导航技术的发展前景

  • GPS是近年来开发的最具有开创意义的高新技术之一。由于GPS技术所具有的全大候、高精度和自动测量等特点,作为先进的测量手段和新的生产力,已经融入了军事、经济等各个领域。

  • 随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展,GPS民用信号精度在全球范围内得到改善,这将进一步推动GPS技术的应用,提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量,刺激GPS市场的增长。汽车导航市场的潜力巨大,GPS技术市场的应用前景十分可观

  • 目前,太空中有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的GALILE()以及中国的“北斗”4大卫星定位系统。法国《铁塔报》2008年12月30日发表了题为《中国的“北斗星座”全面超过美国GPS》的文章,此文章称待2010年“北斗星座”完全建成时,美国将彻底丢掉在导航系统的霸主地位,中国将毫无疑问地取而代之。

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图10-1卫星定位系统

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10 2 gps

图10一2GPS汽车定位系统

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图10一3合成导航原理

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10 4 mercalon

图10一4 MercaLon投影

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10 5 utm

图10一5 UTM

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图10一6导航卫星定位原理

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图10一6导航卫星定位原理

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10 7 cps

图10一7 CPS空间卫星示意图

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10 8 cps

图10一8 CPS接收机的基本构成

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