GPS在车载导航系统中的应用

邹 娜

(华南理工大学 土木与交通学院,广州510640)

我国GPS车载技术起步较晚,还处在发展初期,基本都是在国外GPS的技术上进行二次开发.车载导航系统不如车辆跟踪系统成熟,实时交通信息发布和完善的导航电子地图的提供与更新机制,均缺乏实际的解决方案和途径.GPS的定位信息首先要反映在电子地图上,并通过电子地图进行定位以及导航,如果使用不合格或者过期的电子地图将会使GPS的功能大打折扣.另外,国家在民用信号中加入屏蔽与干扰,而在遇到城市高层建筑物、林荫道、立交桥及涵洞隧道等时,GPS接收机所收到的导航卫星信号的质量会明显下降,这都使GPS的定位精度受到影响[1-2].

GPS的基本应用就是定位与导航,飞机、船舶、地面车辆以及步行者都可利用GPS导航接收器进行导航.本文主要研究GPS/GSM系统在汽车导航系统中发挥的功能.选择一辆旧的长安面包车,安装流浪者GPS并调试.GPS接收定位信号在搭建的电子地图平台上生成GPS车辆定位,在监控中心进行一系列的导航监控.

在这个过程中,通过AT指令函数获取GSM传来的GPS坐标信息.在实现基本功能的基础上,开发GPS导航的拓展功能(辅助功能),如最优路径交通分析,GIS组件选择中科院开发的组件,并完善超图路径优化函数,使之适应复杂的动态交通网络.另一方面,实现车辆控制、车辆监听及断油断电控制.

1 车载导航原理

1.1 定位与导航

GPS的定位就是利用卫星基本三角定位原理,GPS接收装置以测量无线电信号的传输时间来量测距离,以距离来判定卫星在太空中的位置,GPS模块接收卫星的定位信号再运算出自身的位置(经度、纬度、高度)、时间和运动状态(速度、航向),每秒1次送给单片机并存储,以便随时提供定位信息,这是一种高轨道与精密定位的观测方式[3-4].

GPS卫星系统、车载单元、GSM网络、车辆跟踪监控中心4部分构成了GPS车载导航系统.车载GPS是由GPS接收机接收GPS卫星信号(3颗以上),得到该点的经纬度坐标、速度、时间等信息,通过卫星获得定位信息,如果这个GPS终端是导航终端,那它直接把这个定位信息解读出经纬度并变成图标显示在电子地图上,也就是导航的起点.从起点到目的地,是由导航终端里的芯片来运算的[5].

1.2 导航流程

移动目标接收GPS卫星信号,并解算出所在位置的定位信息,通过无线信令信道传送至蜂窝基站,蜂窝基站接收移动目标发射的信息,并将数据信息通过短消息中心传至监控中心,即实现了对移动目标的定位监控.

监控中心执行相关监控指令(如:询位置指令、监听指令、断电指令等),通过短消息中心传至蜂窝基站,蜂窝基站将监控指令信息进行调制发射,通过信令信道传至移动目标,移动目标接收蜂窝基站发射的信息并执行相关指令[6-7].

1.3 无线通讯原理

GPS系统只是一个单一的定位系统,需要结合GSM等通讯网络系统来实现定位信息的传递.GSM信号覆盖面广泛、信号稳定,是进行无线通信的良好资源,GSM传统的数据通信方式,包括短信息SM方式和DATA方式.SM方式存在延时长(一般6～8 s)、通道有阻塞等缺点;DATA方式存在拨号时间长(10 s左右)、通信费用高等缺点[8-9].

2 系统功能设计

2.1 导航定位模块

本模块主要是根据已知的路径进行导航,简单用一个字符串表示“导航信息”,实际应用时可以用一些图标来表示,如导航的信息可以是“前方5 m向右转”.本模块主要包括有真实导航和模拟导航.图1为导航流程图.

2.2 路径寻优模块

选择起点和终点后寻找它们之间的最优即最快路径.最优路径实质上就是一种最短路径,但其路权不是里程,而是穿越耗时,这样原理较长的路段如果为快速路,则反而耗时最小.由耗时最小的路径集合构成的就是最快(最优)路径[3].图2为模块流程图.

图1 导航实现流程图

图2 模块流程图

3 实证分析

3.1 初始状态

用普通的GSM手机作为简易的GPS安装在汽车内.将安装有GPS的面包车放在河海大学江宁校区的操场,该地空旷,GPS不会受到周围建筑物的影响,可以较好的接收到星历数据.在河海大学鼓楼校区安排一台手提电脑作为中心控制机,中心控制机与车载GPS通过GSM无线卡进行短信交互,获取定位信号、传送控制命令[7].

打开车上的GPS设备,检查GPS的通信是否正常,星历数据是用一个字符串来表示的,包括精度、纬度、速度、方向、可见的卫星个数.主要操作如下:打开地图文件、启动GPS、GPS连接成功、定位星历数据.

在GPS连接工作之前,要进行GPS通信参数的设定,即设定通过短信传递的GPS信号如何被解译为控制中心能读懂的数据串.在这里,首先要设置端口号用以将信号从某个端口传递给计算机,端口号使用COM 8,波特率定为9 600,校验停止位一般是一位.然后设置GPS的协议格式,我们使用的流浪者GPS设备有专门的通讯协议,车机与监控中心的所有操作均通过GSM短信息完成,收发信息时必须遵守基本的GSM短信息收发协议,采用PDU格式,文本方式无效,PDU数据包的内容为协议约定.

当提示GPS连接成功后,就可以观察到星历数据,在河海大学的起始点GPS状态:纬度为118°45'511＂,经度=32°3'3751＂,速度=0.00,方向=321.64°,可见卫星数为5.

3.2 实验结果

我们从江宁校区南大门开始进行测试,沿实验室大厅、农水试验田、西操场、水轮机雕塑、理科楼、文科楼、东湖、图书馆再返回南大门.按GPS缺省数据返回频率(每10 s回传一个数据串)采样35个定位点.

表1 采样点经纬度

在控制中心电子地图上显示如图3.

图3 导航路线

4 误差分析

由于采用的地图精度不够,为校验数据准确性,本文采用线路数据套叠遥感影像图显示效果如图4.

图4 实际地图与路线对照

从图4中可以看出,测试线路大致上可以反应车辆实际运行轨迹,杜绝了在地图中车在屋顶上、河面上走的大误差现象.但在西操场和理科楼附近数据偏离道路,初步分析一方面由于导航级GPS的精度本身就存在一定误差且测量点数不够;另一方面,可能是西操场处农水实验室仪器和理科楼实验室内电子仪器对信号具有某种干扰造成,不过从导航用途方面来讲,基本不影响导航使用.

从测速方面来看,系统测试车辆速度表的误差,实际测试为:测试车辆恒速30 km/h,导航为32 km/h,初步分析是因为车辆比较旧,车辆上的速度表可能存在误差而非GPS误差.

测试中碰到一些小问题,星历数据显示正常,但在导航时总是一会显示“GPS没有连接”,一会显示“GPS正常”,但导航很正常,初步分析为接收模块有问题.

在设置GPS启动时,设置的端口在反复试验后选取COM 8系统才会有成功显示数据,GPS只有在成功启动后才有相应的数据显示.

在测试试验时,GPS信号会根据附近建筑物状况降低或提高.

在转地图为超图时(Supermap),地图要基于精度和纬度时才能准确的显示定位点.

5 结 语

本文完成了基于GPS开发的导航系统的模块的开发和设计以及安装调试.通过运用GPS/GSM车载导航系统,已经实现了若干功能,能够实时掌握每部入网车辆所在的位置的位置查找功能;可以通过中心与其他信息系统的连接获取广泛的信息,并传播给每一位用户,最大限度地开发和利用有限投资的信息发布功能等.

[1]刘基金.GPS卫星导航定位原理与方法[M].北京:科学出版社,2003.

[2]高成发,陈安京,陈 默,等.GPS精密单点定位精度测试与分析[J].中国惯性技术学报,2006(6):10-17.

[3]鄢天金.全球卫星定位系统GPS在大连地区定位测试[J].大连海事大学学报,1993(1):23-25.

[4]向怀坤,刘小明.车辆导航系统的研究开发现状与趋势[J].汽车工程,2001,23(5):296-318.

[5]代小红,李昔华.基于移动网络技术的车载导航/监控系统[J].微电子学,2007,37(6):907-910.

[6]关 可,林 薇.GPS(全球定位系统)在汽车交通管理中的应用[J].西安公路交通大学学报,1999,19(1):92-94.

[7]金国雄,刘大杰,施一民.GPS卫星定位的应用与数据处理[M].上海:同济大学出版社:1994.

[8]付 超,杨善林.基于GPS的低成本车载导航设备的研究实现[J].计算机应用研究,2007(2):249-251.

[9]张 磊,GPS系统在车辆定位中的应用[J].哈尔滨商业大学学报:自然科学版,2005,21(2):193-195.