GPS在車載導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用

鄒 娜

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院,廣州510640)

我國GPS車載技術(shù)起步較晚,還處在發(fā)展初期,基本都是在國外GPS的技術(shù)上進行二次開發(fā).車載導(dǎo)航系統(tǒng)不如車輛跟蹤系統(tǒng)成熟,實時交通信息發(fā)布和完善的導(dǎo)航電子地圖的提供與更新機制,均缺乏實際的解決方案和途徑.GPS的定位信息首先要反映在電子地圖上,并通過電子地圖進行定位以及導(dǎo)航,如果使用不合格或者過期的電子地圖將會使GPS的功能大打折扣.另外,國家在民用信號中加入屏蔽與干擾,而在遇到城市高層建筑物、林蔭道、立交橋及涵洞隧道等時,GPS接收機所收到的導(dǎo)航衛(wèi)星信號的質(zhì)量會明顯下降,這都使GPS的定位精度受到影響[1-2].

GPS的基本應(yīng)用就是定位與導(dǎo)航,飛機、船舶、地面車輛以及步行者都可利用GPS導(dǎo)航接收器進行導(dǎo)航.本文主要研究GPS/GSM系統(tǒng)在汽車導(dǎo)航系統(tǒng)中發(fā)揮的功能.選擇一輛舊的長安面包車,安裝流浪者GPS并調(diào)試.GPS接收定位信號在搭建的電子地圖平臺上生成GPS車輛定位,在監(jiān)控中心進行一系列的導(dǎo)航監(jiān)控.

在這個過程中,通過AT指令函數(shù)獲取GSM傳來的GPS坐標信息.在實現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上,開發(fā)GPS導(dǎo)航的拓展功能(輔助功能),如最優(yōu)路徑交通分析,GIS組件選擇中科院開發(fā)的組件,并完善超圖路徑優(yōu)化函數(shù),使之適應(yīng)復(fù)雜的動態(tài)交通網(wǎng)絡(luò).另一方面,實現(xiàn)車輛控制、車輛監(jiān)聽及斷油斷電控制.

1 車載導(dǎo)航原理

1.1 定位與導(dǎo)航

GPS的定位就是利用衛(wèi)星基本三角定位原理,GPS接收裝置以測量無線電信號的傳輸時間來量測距離,以距離來判定衛(wèi)星在太空中的位置,GPS模塊接收衛(wèi)星的定位信號再運算出自身的位置(經(jīng)度、緯度、高度)、時間和運動狀態(tài)(速度、航向),每秒1次送給單片機并存儲,以便隨時提供定位信息,這是一種高軌道與精密定位的觀測方式[3-4].

GPS衛(wèi)星系統(tǒng)、車載單元、GSM網(wǎng)絡(luò)、車輛跟蹤監(jiān)控中心4部分構(gòu)成了GPS車載導(dǎo)航系統(tǒng).車載GPS是由GPS接收機接收GPS衛(wèi)星信號(3顆以上),得到該點的經(jīng)緯度坐標、速度、時間等信息,通過衛(wèi)星獲得定位信息,如果這個GPS終端是導(dǎo)航終端,那它直接把這個定位信息解讀出經(jīng)緯度并變成圖標顯示在電子地圖上,也就是導(dǎo)航的起點.從起點到目的地,是由導(dǎo)航終端里的芯片來運算的[5].

1.2 導(dǎo)航流程

移動目標接收GPS衛(wèi)星信號,并解算出所在位置的定位信息,通過無線信令信道傳送至蜂窩基站,蜂窩基站接收移動目標發(fā)射的信息,并將數(shù)據(jù)信息通過短消息中心傳至監(jiān)控中心,即實現(xiàn)了對移動目標的定位監(jiān)控.

監(jiān)控中心執(zhí)行相關(guān)監(jiān)控指令(如:詢位置指令、監(jiān)聽指令、斷電指令等),通過短消息中心傳至蜂窩基站,蜂窩基站將監(jiān)控指令信息進行調(diào)制發(fā)射,通過信令信道傳至移動目標,移動目標接收蜂窩基站發(fā)射的信息并執(zhí)行相關(guān)指令[6-7].

1.3 無線通訊原理

GPS系統(tǒng)只是一個單一的定位系統(tǒng),需要結(jié)合GSM等通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來實現(xiàn)定位信息的傳遞.GSM信號覆蓋面廣泛、信號穩(wěn)定,是進行無線通信的良好資源,GSM傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信方式,包括短信息SM方式和DATA方式.SM方式存在延時長(一般6～8 s)、通道有阻塞等缺點;DATA方式存在撥號時間長(10 s左右)、通信費用高等缺點[8-9].

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 導(dǎo)航定位模塊

本模塊主要是根據(jù)已知的路徑進行導(dǎo)航,簡單用一個字符串表示“導(dǎo)航信息”,實際應(yīng)用時可以用一些圖標來表示,如導(dǎo)航的信息可以是“前方5 m向右轉(zhuǎn)”.本模塊主要包括有真實導(dǎo)航和模擬導(dǎo)航.圖1為導(dǎo)航流程圖.

2.2 路徑尋優(yōu)模塊

選擇起點和終點后尋找它們之間的最優(yōu)即最快路徑.最優(yōu)路徑實質(zhì)上就是一種最短路徑,但其路權(quán)不是里程,而是穿越耗時,這樣原理較長的路段如果為快速路,則反而耗時最小.由耗時最小的路徑集合構(gòu)成的就是最快(最優(yōu))路徑[3].圖2為模塊流程圖.

圖1 導(dǎo)航實現(xiàn)流程圖

圖2 模塊流程圖

3 實證分析

3.1 初始狀態(tài)

用普通的GSM手機作為簡易的GPS安裝在汽車內(nèi).將安裝有GPS的面包車放在河海大學(xué)江寧校區(qū)的操場,該地空曠,GPS不會受到周圍建筑物的影響,可以較好的接收到星歷數(shù)據(jù).在河海大學(xué)鼓樓校區(qū)安排一臺手提電腦作為中心控制機,中心控制機與車載GPS通過GSM無線卡進行短信交互,獲取定位信號、傳送控制命令[7].

打開車上的GPS設(shè)備,檢查GPS的通信是否正常,星歷數(shù)據(jù)是用一個字符串來表示的,包括精度、緯度、速度、方向、可見的衛(wèi)星個數(shù).主要操作如下:打開地圖文件、啟動GPS、GPS連接成功、定位星歷數(shù)據(jù).

在GPS連接工作之前,要進行GPS通信參數(shù)的設(shè)定,即設(shè)定通過短信傳遞的GPS信號如何被解譯為控制中心能讀懂的數(shù)據(jù)串.在這里,首先要設(shè)置端口號用以將信號從某個端口傳遞給計算機,端口號使用COM 8,波特率定為9 600,校驗停止位一般是一位.然后設(shè)置GPS的協(xié)議格式,我們使用的流浪者GPS設(shè)備有專門的通訊協(xié)議,車機與監(jiān)控中心的所有操作均通過GSM短信息完成,收發(fā)信息時必須遵守基本的GSM短信息收發(fā)協(xié)議,采用PDU格式,文本方式無效,PDU數(shù)據(jù)包的內(nèi)容為協(xié)議約定.

當提示GPS連接成功后,就可以觀察到星歷數(shù)據(jù),在河海大學(xué)的起始點GPS狀態(tài):緯度為118°45'511＂,經(jīng)度=32°3'3751＂,速度=0.00,方向=321.64°,可見衛(wèi)星數(shù)為5.

3.2 實驗結(jié)果

我們從江寧校區(qū)南大門開始進行測試,沿實驗室大廳、農(nóng)水試驗田、西操場、水輪機雕塑、理科樓、文科樓、東湖、圖書館再返回南大門.按GPS缺省數(shù)據(jù)返回頻率(每10 s回傳一個數(shù)據(jù)串)采樣35個定位點.

表1 采樣點經(jīng)緯度

在控制中心電子地圖上顯示如圖3.

圖3 導(dǎo)航路線

4 誤差分析

由于采用的地圖精度不夠,為校驗數(shù)據(jù)準確性,本文采用線路數(shù)據(jù)套疊遙感影像圖顯示效果如圖4.

圖4 實際地圖與路線對照

從圖4中可以看出,測試線路大致上可以反應(yīng)車輛實際運行軌跡,杜絕了在地圖中車在屋頂上、河面上走的大誤差現(xiàn)象.但在西操場和理科樓附近數(shù)據(jù)偏離道路,初步分析一方面由于導(dǎo)航級GPS的精度本身就存在一定誤差且測量點數(shù)不夠;另一方面,可能是西操場處農(nóng)水實驗室儀器和理科樓實驗室內(nèi)電子儀器對信號具有某種干擾造成,不過從導(dǎo)航用途方面來講,基本不影響導(dǎo)航使用.

從測速方面來看,系統(tǒng)測試車輛速度表的誤差,實際測試為:測試車輛恒速30 km/h,導(dǎo)航為32 km/h,初步分析是因為車輛比較舊,車輛上的速度表可能存在誤差而非GPS誤差.

測試中碰到一些小問題,星歷數(shù)據(jù)顯示正常,但在導(dǎo)航時總是一會顯示“GPS沒有連接”,一會顯示“GPS正?！?但導(dǎo)航很正常,初步分析為接收模塊有問題.

在設(shè)置GPS啟動時,設(shè)置的端口在反復(fù)試驗后選取COM 8系統(tǒng)才會有成功顯示數(shù)據(jù),GPS只有在成功啟動后才有相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示.

在測試試驗時,GPS信號會根據(jù)附近建筑物狀況降低或提高.

在轉(zhuǎn)地圖為超圖時(Supermap),地圖要基于精度和緯度時才能準確的顯示定位點.

5 結(jié) 語

本文完成了基于GPS開發(fā)的導(dǎo)航系統(tǒng)的模塊的開發(fā)和設(shè)計以及安裝調(diào)試.通過運用GPS/GSM車載導(dǎo)航系統(tǒng),已經(jīng)實現(xiàn)了若干功能,能夠?qū)崟r掌握每部入網(wǎng)車輛所在的位置的位置查找功能;可以通過中心與其他信息系統(tǒng)的連接獲取廣泛的信息,并傳播給每一位用戶,最大限度地開發(fā)和利用有限投資的信息發(fā)布功能等.

[1]劉基金.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

[2]高成發(fā),陳安京,陳 默,等.GPS精密單點定位精度測試與分析[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報,2006(6):10-17.

[3]鄢天金.全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS在大連地區(qū)定位測試[J].大連海事大學(xué)學(xué)報,1993(1):23-25.

[4]向懷坤,劉小明.車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的研究開發(fā)現(xiàn)狀與趨勢[J].汽車工程,2001,23(5):296-318.

[5]代小紅,李昔華.基于移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的車載導(dǎo)航/監(jiān)控系統(tǒng)[J].微電子學(xué),2007,37(6):907-910.

[6]關(guān) 可,林 薇.GPS(全球定位系統(tǒng))在汽車交通管理中的應(yīng)用[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報,1999,19(1):92-94.

[7]金國雄,劉大杰,施一民.GPS衛(wèi)星定位的應(yīng)用與數(shù)據(jù)處理[M].上海:同濟大學(xué)出版社:1994.

[8]付 超,楊善林.基于GPS的低成本車載導(dǎo)航設(shè)備的研究實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用研究,2007(2):249-251.

[9]張 磊,GPS系統(tǒng)在車輛定位中的應(yīng)用[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2005,21(2):193-195.