GPS在現(xiàn)代交通工具中的應用

GPS控制技術——劉偉蓮

中的應用★

概述★GPS控制系統(tǒng)的組成工作原理★GPS在汽車上的應用★

GPS的主要功能★國內外GPS導向的應用與發(fā)展1概述GPS是GlobalPositioningSystem的簡稱，即全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，最初應用于軍事領域，是美軍71年代初“子午儀衛(wèi)星導航定位”技術上發(fā)展起來的，具有全球性，全能性（陸地，海洋，航空），全天候優(yōu)勢民用方面：最大的民用市場就是汽車導航系統(tǒng)汽車工業(yè)成為一個國家的文明象征，隨著他的發(fā)展也帶來諸多問題，例如交通堵塞，社會環(huán)境的一大公害，利用GPS發(fā)展汽車導航系統(tǒng)是解決城市交通堵塞的一個高科技手段。汽車導航的目的：引導汽車在繁忙交通狀態(tài)和復雜的道路網(wǎng)絡中,選擇最佳的路徑,使其能在盡量短的時間和路程內到達目的地.他能回答我們三個問題：我現(xiàn)在在哪里？要去哪里？如何去？二GPS系統(tǒng)組成和工作原理1系統(tǒng)組成：空間部分，地面支撐系統(tǒng)，用戶設備太空部分由24顆人造衛(wèi)星組成地面監(jiān)控部分接收傳遞監(jiān)控衛(wèi)星發(fā)回的信號用戶設備車載導航儀，接收機主控制中心在美國用戶設備：接收機主要接收C/A碼和P碼定位，P碼定位精度高（供美國軍方使用）C/A碼供一般用戶使用1.空間部分(導航衛(wèi)星).空間部分使用24顆(其中3顆衛(wèi)星為備用)高度為20200km的導航衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座.分布如圖2.地面站.地面站包括一個主控站、四個監(jiān)測站和一個注入站。3.用戶設備.

導航衛(wèi)星采用無源工作方式，凡是有GPS接收設備的用戶都可以使用GPS系統(tǒng)。用戶設備包括全向圓極化天線、接收機、微處理器、控制顯示設備等，有時也統(tǒng)稱GPS接收機。2工作原理分布在與地球赤道面傾角為55°的六個軌道面上有24顆衛(wèi)星（21顆工作星，3顆備用星）其運行周期為1小時58分，軌道平面高度為20200km，這樣的分布保證每天出現(xiàn)在地平線上的衛(wèi)星數(shù)目在4——11顆左右，在地球的任何地方都能同時收到4顆以上衛(wèi)星發(fā)出的信號，計算機根據(jù)這些信號可計算出用戶目前在地球坐標系中的位置。衛(wèi)星在圍繞其軌道運行時，向地面發(fā)出的信息，包括其軌道位置信息和電波發(fā)射時刻信號。接收機根據(jù)衛(wèi)星所發(fā)出的信號到接收到信號所經(jīng)歷的時間，便可算出兩者的距離。如果知道某點至第一個衛(wèi)星的距離，那末該點

當出現(xiàn)接受信息時鐘誤差是三個球面無法相交時利用第四顆衛(wèi)星的信息進行修正.若用戶時鐘和衛(wèi)星時鐘相差△t,則測得距離F=Ri+△t*c=Ri+E,根據(jù)方程：F=[(Xi-X0)2+(Yi-Y0)2+(Zi-Z0)2]1/2+E(i=1,2,3,4)

式中Ri——各衛(wèi)星到汽車的距離，單位為m;C——無線電波傳播速度，與光速相等;ti——各衛(wèi)星電波傳到汽車所用時間. E——由時鐘誤差引起的定位誤差。解方程組可以求出汽車的位置坐標提高定位精度的措施：采用差分GPS定位算法偉三GPS系統(tǒng)在汽車上的應用1。汽車導航系統(tǒng)組成：GPS,車載部分，主控中心

汽車導航系統(tǒng)方框圖

汽車導航系統(tǒng)主控中心主控中心由電臺.調制解調器，計算機系統(tǒng)和電子地圖組成，電臺：接收汽車上電臺發(fā)出的位置信息，同時反饋汽車調制解調器：負責反控命令和GPS信息的數(shù)/模轉換計算機系統(tǒng)：接收到汽車的位置信息后進行簡單預處理，然后按決定的通信協(xié)議，包裝該信息并送往工作站，工作站：在矢量電子地圖數(shù)據(jù)上顯示汽車的位置，并提供空間查詢功能車載部分由GPS接收機，調制解調器，電臺組成，還包括自律導航裝置，車速傳感器，陀螺傳感器, CD---ROM驅動器，LCD顯示器自律導航裝置：當行駛到地下隧道，高層樓群，密集森林等地段時，由于遮擋，此時汽車與衛(wèi)星失去聯(lián)系，我們用車速傳感器自動地從汽車前進的速度中檢測出車速脈沖.通過微處理器的運算直接由速度和時間中求出行駛的距離(不過此時汽車是高速行駛輪胎會膨脹。用輪胎轉速求出的距離會產(chǎn)生誤差，所以要取一個向上的距離系數(shù)來修正)。陀螺傳感器：當汽車行駛在彎路，蛇形路面，勾狀山道，雪地打滑，輪渡過河，更換輪胎，環(huán)狀盤形橋等路況時，汽車的前進方向，行駛狀態(tài)(即汽車行駛的角速度)都要發(fā)生變化，此時只有通過陀螺傳感器對航向絕對位置的檢測和修正才能得到汽車的正確定位坐標。自律導航特點：不受時間地點路況影響，又具有一定定位精度陀螺傳感器：測量汽車前進方向和行使狀態(tài)

汽車行使的曲線距離與衛(wèi)星導航的經(jīng)緯度直線坐標產(chǎn)生誤差時，陀螺傳感器得到該誤差信號，經(jīng)過微處理器可得到汽車正確的位置勾狀山道發(fā)夾式彎路蛇形路面輪渡過河雪地打滑更換輪胎環(huán)狀盤形橋車速傳感器：在以下狀況時，GPS衛(wèi)星失去聯(lián)系，在中斷信號的瞬間由車速傳感器直接檢測出車速脈沖送微處理器，然后通過計算求出汽車前進距離，紀錄汽車與衛(wèi)星失去聯(lián)系后的每一瞬間運動狀態(tài)，從而給出汽車前進的正確位置

隧道中高層大樓間

地下車庫密集樹林間高架橋下

在障礙物中由車速傳感器直接導入自律導航其他部件：地圖匹配器：由于種種原因有時收不到GPS的正確信號，自律導航中的傳感器融合技術所檢測到的定位信息也存在著一定誤差原理：把汽車行駛的軌跡與數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫提供的路徑進行相關比較，實際上就是一個數(shù)字相關比較器經(jīng)過地圖匹配器路線得到修正地圖匹配電子地圖數(shù)據(jù)庫：定位與導航的定位標準，存儲于DVD光盤中。一張DVD光盤中預存1000萬個街道地址，1900萬個電話號碼路徑引導：把存儲在電子地圖數(shù)據(jù)庫中的各種路徑進行路徑規(guī)劃，然后對車輛進行路徑引導LCD顯示器（液晶）有一種由平面圖到鳥瞰圖的轉換功能，以解除司機長時間觀看屏幕時眼睛疲勞。使起點到目的地全貌一目了然

GPS的工作原理主要包括偽距測量、定位計算、最佳導航星選擇算法(即從多顆可見導航衛(wèi)星中選擇4顆幾何關系最好的衛(wèi)星進行導航定位)和導航算法。四GPS的主要功能◆車輛跟蹤：利用GPS和電子地圖可以實時◆提供出行路線的規(guī)劃和導航◆信息查詢◆話務指揮◆緊急援助在該系統(tǒng)中，通常采用多個汽車公用一個信息通道，當有多個汽車同時發(fā)送GPS信息時，將會造成信道碰撞現(xiàn)象，使傳輸出現(xiàn)錯誤。為了解決這一問題、系統(tǒng)主控中心與備汽車采用主從結構形式通訊，主控中心維護整個信息網(wǎng)絡的操作，它首先根據(jù)系統(tǒng)的配置，順序和每輛汽車建立“連接”關系并進行數(shù)據(jù)交換，如果不成功則標記出錯的原因，最后斷開“連接”。每個汽車被查詢一次即完成一個周期，從而可以避免信息碰撞產(chǎn)生。該系統(tǒng)的主控中心及車載電臺的通信管理模塊流程圖如圖。國內外GPS汽車導向的應用與發(fā)展.1.日本在日本的一些豪華轎車上，導向(航)系統(tǒng)已不再是選裝，而變成了標準設備。例如，豐田公司的window牌，日產(chǎn)公司的cina牌、本田公司的Legend牌．此外還有一些進口轎車,如奔馳公門的s級轎車、寶馬(BMW)公司的7系列和5系列轎車，都把導向系統(tǒng)裝到最新出產(chǎn)的汽車上。由于汽車導向系統(tǒng)可以擴展到更多的車型，在車內裝飾設計中，儀表板上都留出一塊15cm左右的視頻顯示屏幕的位置.1997年在日本銷售的新車中有1/10安裝了導向系統(tǒng)，安裝比例雖然還不夠大，卻大大促進了汽車導向系統(tǒng)的發(fā)展.2.美國GPS汽車導向系統(tǒng)在美國只有新型轎車才安裝使用，因為導向系統(tǒng)在美國起步較晚。為了加快GPS汽車導向系統(tǒng)的發(fā)展，1996年美國運輸部作出一項規(guī)定：未來汽車必須使用導向系統(tǒng)。3.德國汽車電子導向系統(tǒng)將在德國大規(guī)模投入使用。西克斯特公司(德國最大的出租車公司之一)已于1997年采購8000輛裝有導向系統(tǒng)的奔馳汽車，在德國八大飛機場提供服務。該車導向系統(tǒng)只要駕駛員把目的地輸入車上的微機后，微機就借助衛(wèi)星計算出最短的行車路線，然后在屏幕上用圖像和聲音引導駕駛員開向目的地。國內GPS汽車導向的研究與應用GPS汽車導向系統(tǒng)的研制和應用在國內起步較晚,仍處于初級階段，目前主要應用在專用汽車上，如銀行運鈔車、公安巡邏車等。1.北京航空航天大學進行了多年的研究，將全球定位技術(GPS),地理信息系統(tǒng)和現(xiàn)代通信技術綜合在一起。其主要功能是將任何裝有GPS接收機的移動目標的動態(tài)位置(經(jīng)度、緯度、高度)、時間、狀況等信息，適時地通過無線通訊網(wǎng)鏈傳送至主控制基地中心，而后面具有強大地理信息處理、查詢功能的電子地圖上進行運動軌跡的顯示，并能對準確位置、速度、運動方向、車輛狀態(tài)等用戶感興趣的參數(shù)進行監(jiān)控和查詢，以確保車輛的安全，方便調度管理，提高遠營效率。該系統(tǒng)適