GPS 导航系统,全球卫星定位系统GPS,现代汽车电子技术概论,车辆定位与导航的历史简介,一、各国车辆定位与导航的研究历史 中国: 指南车和计里鼓车（2600年前）：相当于现今的磁罗盘和差分里程计； 指南针：最早出现的导航设备之一； 90年代～现在，ITS发展战略研究 GIS、GPS在交通信息管理控制系统中的应用美国： 1985年，第一张用于汽车驾驶的交通图； 1910年，第一台机械车辆路径引导装置； 20世纪60年代末期，提出和开发电子路径引导系统ERGS（Electronic Route Guidance System），自主式路径导航系统（Automatic Route Control System）； 20世纪90年代，美国全球卫星定位系统建立，为全球范围内的用户提供了一种廉价使用的定位手段，使车辆与定位导航系统的发展进入高潮日本： 80年代，自主导航系统，采用地图匹配，GPS和声音引导技术； 90年代，提出和开始VICS（Vehicle Information and Communication System）计划,通过红外线指向标、微波指向标或者调频广播的副载频作为传播媒介来传递实时交通信息，用以引导车辆安全地到达各自地目的地。
欧洲： 80年代，推出CARIN和EVA自主车辆导航系统； 80年代中期，欧洲高效交通及安全系统规划开始大规模实施，主要研究车内导航系统和安全装置二、 定位技术简介 在车辆定位与导航系统中，定位是实现导航功能的前提和基础，目前移动目标定位技术主要有： 航迹推算技术 地面无线电定位技术 地图匹配技术 卫星定位技术,航迹推算技术 工作原理：已知本时刻车辆的位置，测量得到下一个时刻的距离和相对转角，从而推算得到下一个时刻的位置 优点：是自主定位导航系统，一般不受外界环境的影响 缺点：随着时间的推移，会有较大的累积误差 地面无线电定位技术 工作原理：依据电磁波的恒定传播速率和路径的可预测 性原理常用的无线电定位技术有三种：到达时间（TOA），到达角度（AOA）和到达时间差（TDOA） 缺点：无线电信号受地面障碍物的干扰，从而产生信号 衰落和多径效应，造成定位精度下降或失败很少用于 陆地车辆定位和导航，但在航海和航空领域应用广泛地图匹配技术 工作原理：引入地图上的信息，通过定位导航系统的信息与地图的信息进行比较和融合，从而提高整个系统的定位精度 全球卫星定位技术 1975年10月，世界上第一颗人造卫星发射成功，标志着电子导航技术的发展进入了一个崭新的时代。
卫星技术使人类在空间建立导航无线电发射基准站的设想成为现实卫星定位导航系统也随之应运而生 对普通民用用户而言，可供选择的卫星导航系统主要有两种： GPS GLONASS 北斗导航系统---未来,GPS---授时与测距导航系统／全球定位系统 1、GPS构成 是美国研制并建立的新一代精密星基无线电导航系统，由三大部分组成： 空间星座：由均匀分布在６个轨道平面内的24颗卫星组成，包括三颗备用卫星 地面监控系统：由分布在全球的一个主控站，3个注入站和5个监测站组成，负责完成数据采集、故障诊断、跟踪监测、卫星调度、导航电文编辑和注入等工作 GPS接收设备：用户端使用GPS接收设备即可实现定位导航功能GPS---授时与测距导航系统／全球定位系统 2、GPS系统特点 全球地面连续覆盖 GPS卫星数目较多且分布合理，在地球上的任何地点都可以连续同时观测到至少4颗星，从而保证了全球、全天候连续实时定位的需要 功能多，精度高 良好的抗干扰性和保密性,GLONASS---全球轨道卫星导航系统（Global Oribiting Navigation Satellite System） 由前苏联研制，俄罗斯继续发展的第二代全球卫星导航系统，由空间卫星网，地面支持网和用户设备组成。
GLONASS的公开化打破了由美国在卫星导航领域一统天下的局面 GLONASS与GPS的主要区别为： 信号分割体制不同 GPS系统的定位精度比GLONASS高 GPS系统的优势在中低纬度地区，GLONASS系统则能为高纬度地区提供更好的覆盖第三节 现代车辆定位与导航,一、现代车辆定位与导航的功能 应用自动车辆定位技术，地理信息系统与数据库技术，计算机技术，多媒体技术和现代通信技术的高科技综合系统，并为车辆驾驶员提供以下功能： 自动车辆定位，实时准确地确定出车辆当前的位置，以图形化方式显示在电子地图背景中； 行车路线设计，依据驾驶员提供的起点、终点和途径点，自动规划出旅行代价最少的最佳行驶路线； 路径引导服务，在出行过程中产生引导指令，帮助驾驶员沿预定行车路线顺利抵达目的地； 综合信息服务，向用户提供与电子地图有关的信息检索与查询服务； 无线通信功能，接收实时交通信息广播二、典型现代车辆定位与导航系统组成及功能描述,,图1.1 定位和导航系统地基本模块,各模块功能描述： 数字地图数据库：是系统中必不可少的组成部分，包含以预先定义好存储格式的数字化导航地图信息（GIS） 地理信息引擎：是操作和查询电子地图数据库的接口。
定位模块：融合不同传感器的输出，利用接收到的无线电信号自动地确定车辆或机动装置的位置，辨别正在行驶的公路和所要接近的每个交叉路口 典型的独立定位技术是航迹推算定位； 典型的无线电信号定位技术是GPS定位技术各模块功能描述： 地图匹配：把测量到的或从定位模块获取的位置（轨迹）与地图数据库所提供的基于地图的位置（路径）进行匹配来确定车辆在地图上的位置的一种方法 路径规划：帮助司机在行驶前或运行中规划路线的过程根据地图，无线通信网收到的实时交通信息来实现的采用的技术是最优控制，最小旅行代价路线 人机接口：用户与定位和导航计算机及装置进行人机交互 无线通信模块：通过一个或多个不同种类的通信网络，车辆和它的使用者或交通管理系统能够接收实时交通信息或报告目前现代车辆定位与导航系统在ITS中的应用可划分为三个层次： 1、自主导航系统 在车内装有定位装置和电子地图，能提供行驶中的车辆定位和静态路径引导功能，相关信息的收集，传送、处理和分析均在车上独立完成不需要与外部进行通信联系 缺点：不能提供基于实时交通状况的动态路径引导功能，不能向交通中心报告车辆当前的状况2、单向通信系统 由交通信息中心和车载导航设备组成，用户可随时通过车载信息接收装置获取由交通信息中心提供的最新道路状况以进行动态的最佳路线选择。
缺点：不能向信息中心反馈车辆信息 3、双向通信系统 真正在信息中心和出行者之间实现双向信息交换，把车辆作为交通信息的采集手段之一，把即时车流分布、道路状况和不同用户的出行信息综合起来作为交通系统控制决策的依据 将车辆与道路融合在一起，这正是ITS核心概念的体现GPS 系统的组成,空间部分： 提供星历和时间信息 发射伪距和载波信号 提供其它辅助信息,,,,,地面控制部分： 中心控制系统 实现时间同步 跟踪卫星进行定轨,用户部分： 接收并测卫星信号 记录处理数据 提供导航定位信息,空间部分,24颗卫星（21+3） 6个轨道平面 55º轨道倾角 20200km轨道高度（地面高度） 12小时（恒星时）轨道周期 5个多小时出现在地平线以上（每颗星）,地面控制部分,一个主控站：科罗拉多•斯必灵司 三个注入站：阿松森（Ascencion) 迭哥•伽西亚(Diego Garcia) 卡瓦加兰(kwajalein) 五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii),Hawaii,Ascencion,Diego Garcia,kwajalein,Colorado springs,用户部分,通用接收机（定位型）：,导航型接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备,GPS 卫星信号,卫星信号结构,每颗卫星都发射一系列无线电信号（基准频率ƒ） 两种载波（L1和L2） 两种码信号（C/A码和P码） 一组导航电文（信息码，D码）,,接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距,,,,,,,地心,Si,Pij,Pj,ri,Rj,,,有关各观测量及已知数据如下： r— 为已知的卫地矢量 P—为观测量（伪距） R—为未知的测站点位矢量,对卫星进行测距,距离观测值的计算,接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的 接收机本身按同一公式复制码信号 比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟的时间t 传播延迟时间乘以光速就是距离观测值=C• t,采用载波相位观测值,发自卫星 的电磁波 信号：,信号量测精度波长的1/100 载波波长（L1=19cm, L2=24cm)比C/A码波长 (C/A=293m)短得多 所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距（C/A码或P码）定位高得多的成果精度,L1载波,L2载波,C/A码,P-码,GPS 定位的误差源,1. 与GPS 卫星有关的因素 SA 美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度（ 技术）、在GPS 基准信号中加入高频抖动（技术）等方法，人为降低普通用户利用GPS 进行导航定位时的精度。
卫星星历误差 在进行GPS 定位时，计算在某时刻GPS 卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历[7] 提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差 卫星钟差 卫星钟差是GPS 卫星上所安装的原子钟的时间与GPS 标准时间之间的误差 卫星信号发射天线相位中心偏差 卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS 卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异电离层延迟 由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS 信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟电磁波所受电离层折射的影响与电磁波的频率以及电磁波传播途径上电子总含量有关 对流层延迟 由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS 信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟电磁波所受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有关 多路径效应 由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，这就是所谓的多路径效应2. 与传播途径有关的因素,接收机钟差 接收机钟差是GPS 接收机所使用的钟的钟面时间与GPS 标准时之间的差异。
接收机天线相位中心偏差 接收机天线相位中心偏差是GPS 接收 机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异 接收机软件和硬件造成的误差 在进行GPS 定位时，定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响3.与接收机有关的因素,4. 其它 GPS 控制部分人为或计算机造成的影响 由于GPS 控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等 数据处理软件的影响 数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响汽车上的GPS导航仪,利用GPS输出的经度、纬度 和 海拔 信息，即可对汽车在地图中定位导航软件根据用户输入的目标点，采用地图路径算法生成导航路线，并通过语音播报为驾驶员导航。