1.緒論

　　自六十年代以來，許多國家即開始對導航和定位技術的研究。而車輛導航系統(tǒng)即是測量并解算出車輛的瞬時運動狀態(tài)和位置，提供給駕駛員或自動駕駛儀以實現(xiàn)車輛的正確操縱或控制。車輛導航系統(tǒng)發(fā)展起始于七十年代初，美國公路局于70 年代初提出了一種電子路徑引導系統(tǒng)（ERGS），此系統(tǒng)是一種具有無線路徑引導能力的導航系統(tǒng)，它以短距離指向標網絡作為其基本的技術起點而形成的中央動態(tài)路徑引導功能的導航系統(tǒng)；但是，由于資金有限，此系統(tǒng)最終沒有實現(xiàn)。

　　在九十年代，以GPS 為基礎的導航系統(tǒng)不斷地完善，在國內外都進入了實用階段，美國開發(fā)的PATHFINDER 系統(tǒng)，日本的VICS 系統(tǒng)。在中國，GPS 定位導航技術于近幾年也了巨大的發(fā)展，如西安504 所開發(fā)的WP2000 系統(tǒng)，其主要用于導航和報警方面。

　　2. GPS 概述

　　2.1 GPS 系統(tǒng)簡介

　　全球定位系統(tǒng)，簡稱GPS，是沿地球軌道運行的24 顆導航衛(wèi)星的星座集合。GPS 接收機就是利用這些衛(wèi)星所發(fā)送的精確的時間和位置信息來進行定位。該系統(tǒng)可提供地球上所有點的三維坐標。

　　美國五角大樓利用GPS 提供的導航數據以應付險峻地形和各種突發(fā)情況，同時它也控制著此系統(tǒng)。盡管GPS 主要用于軍事目的，但是它在民用和商業(yè)領域中的價值不斷的被認識。GPS 衛(wèi)星也因此發(fā)送兩種代碼：一種只供軍方使用的加密代碼PPS（也稱P 碼），另一種是供民間使用的標準定仁明良務代碼SPS（C/A 碼）。美國政府己于21 世紀初宣布，自2000 年5 月1 日子夜開始，取消SA 政策，使民用C/A 碼的定位精度大大提高。

　　GPS 系統(tǒng)主要是由三部分組成：（1）GPS 衛(wèi)星（空間部分），（2）地面監(jiān)控系統(tǒng)，（3）GPS 接收機（用戶部分）。

　　2.2 GPS 定位的基本原理

　　GPS 定位的基本原理是根據高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為己知的起算數據，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。

　　利用GPS 進行定位是以GPS 衛(wèi)星和用戶接收機天線之間的距離（或距離差）為基礎，并根據已知的衛(wèi)星瞬時坐標來確定用戶接收機所對應的點位，即待定點的三維坐標（x，y，z），其關鍵是測定用戶接收機天線至GPS 衛(wèi)星之間的距離。GPS 定位方式主要有絕對定位和相對定位兩種。

　　3.GPS 在車輛定位與導航中的應用

　　車輛定位與導航的研究在國外起始于上世紀70 年代，目前稱為AVLN（AutomaTIc Vehicle LocaTION and NavigaTIon，自動車輛定位與導航）。

　　AVLN 是智能運輸系統(tǒng)（ITS）或智能汽車/ 公路系統(tǒng)（IVHS）的基礎環(huán)節(jié)。

　　GPS 車輛定位與導航系統(tǒng)，以其精確定位的易實現(xiàn)性、相對成本的低廉性、設計與安裝的相對獨立性，自1995 年以來，在國內獲得了迅速發(fā)展。中國科技大學GPS 實驗室在其中也做出了開創(chuàng)性的工作。

　　3.1 GPS 車輛導航系統(tǒng)的發(fā)展

　　GPS 全球定位技術作為一項高新技術，以前國內主要應用于鐵路、空運及海運領域，隨著GPS 全球定位系統(tǒng)技術日趨成熟，該技術開始轉向公路運輸領域。目前，GPS 車載定位系統(tǒng)主要用于公交、出租、客運等行業(yè)。通過GPS 定位技術可以很好地解決公路交通擁擠的現(xiàn)象，GPS 車輛定位系統(tǒng)是借助于GPS 全球定位系統(tǒng)為機動車輛提供定位信息的系統(tǒng)。GPS 系統(tǒng)可以提供全球覆蓋、全天候、免費的高精度標準授時/ 導航定位服務，通過GPS 接收機可以實時地獲得經緯度信息進行確定經緯度位置和速度、時間等信息車輛定位系統(tǒng)將獲得的一系列信息進行處理以確定車輛的具體位置。日本，豐田、東芝、索尼等在轎車導航系統(tǒng)方面的研究處于世界領先地位。1991 年，東芝公司轎車導航系統(tǒng)，采用一種可操作的電視GPS 接收機，可顯示沿途飯店、旅館和商店等信息。

　　1994 年，索尼公司推出一種帶電子地圖的汽車導航系統(tǒng)，將一個8 通道的GPS 接收機與CD- ROM格式的地圖及信息數據庫結合在一起，并能接收調頻無線電廣播發(fā)送的交通流量信息。奔馳、豐田、本田等大公司，積極開發(fā)自己的導航信息系統(tǒng)，拓展導航信息服務市場。在美國，克萊斯勒公司研制了一種基于GPS 的車輛導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)在失去衛(wèi)星信號后，可用羅經和記程計工作，保持車輛繼續(xù)導航。威斯汀豪斯公司使巴黎的公共汽車率先使用車輛調度和導航系統(tǒng)。

　　3.2 GPS 與車輛導航系統(tǒng)

　　GPS 在ITS 中的應用主要體現(xiàn)在車輛導航上。在GPS 的諸項應用中，車輛定位導航應用發(fā)展最快，并取得了巨大的經濟效益和社會效益。車輛應用已躍居GPS 各應用之首。

　　雖然汽車是人們日常生活中的一部分，但是，擁有小汽車并不一定使我們的生活變得更加方便。公共交通工具是在固定的交通路線上行駛的，與此不同的是，小汽車和卡車司機需要知道到達目的地的路線以及何處可以停車。如果道路網錯綜復雜，那么，司機就很容易迷路，這種情況，既令人焦急，又浪費寶貴的時間。

　　車輛導航系統(tǒng)就像一個自信的領航員坐在汽車的副駕駛位置上，指引司機一點也不用費勁即可按時到達目的地。即使有了導航系統(tǒng)，如果司機的方向辨別能力太差，也是容易迷路的。如果將你目前所處的位置和目的地在顯示屏上標出來，那么，事情就好辦了。顯示屏上的箭頭表明你的當前位置，并向你建議朝哪個方向行駛，可以到達目的地。有的導航系統(tǒng)具有聲音導航提示功能，如前面向右拐，或者你離目的地還有一半的路程。因此，司機就不需要頻繁地看顯示器了。導航系統(tǒng)的另一個具有吸引力的性能，是資料信息軟件庫，該軟件庫將飯店、高爾夫球場和其他娛樂場所等當地的道路信息集合在一起。

　　所謂GPS 車輛導航系統(tǒng)，就是利用接收GPS 信號對機動目標進行監(jiān)控和定位，并根據航跡情況對其運動進行優(yōu)化和指導的系統(tǒng)。使用車用導航系統(tǒng)可帶來縮短行車時間、快速到達目的地、減少能源消耗、保障行車安全等多方面的利益。

　　車輛GPS 定位導航系統(tǒng)的正常運轉至少需要覆蓋全球的GPS 衛(wèi)星系統(tǒng)、輕便可靠的GPS 接收機、快速強大的運算系統(tǒng)、覆蓋面廣內容詳實的電子地圖以及無線通訊網絡等附屬設施。

　　3.2.1 車輛定位技術

　　車輛定位技術是整個車輛導航系統(tǒng)的基礎，系統(tǒng)中幾乎所有的功能都以車輛定位的精確度為前提。車輛定位的精確度和實時性直接關系到一個智能交通系統(tǒng)的實用價值和整體性能。由于車輛定位技術在車輛導航系統(tǒng)中特殊且有重要的作用，車輛定位技術一直是各種車輛導航系統(tǒng)研究和開發(fā)機構的重點課題。GPS 全球定位系統(tǒng)是由美國提出并實施的一項龐大的宇宙及航天工程，其最初的目的是為美國軍方服務，但隨著近年來GPS 技術的民用化，它逐漸成為了一個全球性的工具。在陸地上的移動信息系統(tǒng)方面，GPS 逐步被應用到安全保障、車輛導航領域。GPS 定位精度高、實時性好，基本上能夠滿足未來ITS 中車輛導航系統(tǒng)的精度要求。因此，基于GPS 的車輛自動定位/ 導航與管理系統(tǒng)的開發(fā)與應用正日益受到國內外各部門的高度重視，并將顯示出巨大的經濟和社會效益。

　　3.2.2 GPS 車輛定位系統(tǒng)硬件設計

　　車載設備的具體工作環(huán)境要求GPS 車輛定位系統(tǒng)的體積要盡可能小，可靠性要盡可能高。因此，系統(tǒng)硬件核心部分適宜選擇某種嵌入式計算機。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，在產品中嵌入微機作為控制器已開始隨處可見。由于PC 體系結構的廣泛流行，與PC 兼容的軟件、硬件、外設和開發(fā)工具都比其它體系結構更豐富、更便宜，將PC 體系結構用于嵌入式應用就意味著能夠大幅度地降低開發(fā)成本、減小風險及縮短開發(fā)周期，而且減少了許多令人頭疼的系統(tǒng)維護和技術支持。PC/104計算機可以滿足以上要求，它體積小、集成度高，提供與PC 總線在體系結構、硬件和軟件上的完全兼容，而且結構緊湊的棧接式模塊很適合嵌入式控制應用的獨特要求。由于使用CMOS 器件，PC/104 模塊功耗低，不存在散熱問題，工作溫度范圍寬（0- 700℃）；結構緊固，非常緊湊，所占面積只有90mm&TImes;96mm，超小的體積使安裝和攜帶都很方便；減少了產品部件的數量；由模塊構成的系統(tǒng)，直接疊裝，無需機箱和底板；具有良好的抗沖擊、抗震特性。己有的PC/104 模塊為構造嵌入式系統(tǒng)提供了種類繁多的各種構件，它高集成性和可模塊化的結構適用于多種應用。

3.2.3 基于GPS 導航技術的電子地圖

　　電子地圖是GPS 導航系統(tǒng)的重要組成部分，它是導航系統(tǒng)與用戶的界面，它把接收到的導航定位信號和機動目標行駛范圍的地理特征相結合，動態(tài)而直觀的對目標的運動進行管理和指導，而使用戶無須了解接收到的數據的含義就可以方便簡潔的使用導航系統(tǒng)。電子地圖還是對導航系統(tǒng)性能的擴展，由于電子地圖是由相應軟件組成，它可方便的實現(xiàn)各種功能，最大程度的發(fā)揮導航系統(tǒng)的潛能，做到方便、準確、快捷，而無須進行硬件方面的調整。

　　3.2.4 地圖匹配技術

　　車輛在電子地圖上顯示的行駛路徑是定位技術測得的。然而，不論是哪種定位技術都有其無法克服的局限性。無線電導航技術依賴于外界設備，其定位精度或受無線網覆蓋面積的限制（如Sign PoST）或受定位信號精確度的影響（如GPS）；推測導航技術的精確度則受方向探測儀及車速脈沖設備精度的限制，且其存在積累誤差，即隨著車輛行駛距離的增加，誤差越來越大。由于這些誤差，使車輛的位置出現(xiàn)偏差。地圖匹配是一項確定車輛在地圖上位置的技術，其糾錯技術恰恰避免了定位技術無法克服的局限性。地圖匹配指GPS 接收機測量到其載體當前的有關位置信息后，再從電子地圖數據庫中獲取有關信息，然后通過匹配算法得到載體位置等的偏差信息，并對其進行實時修正，從而準確顯示車輛的位置。可以說，地圖匹配算法的效果直接關系到車輛定位的精度，地圖匹配技術是決定導航產品最終性能的關鍵技術，因此，GPS、電子地圖相結合并通過地圖的匹配算法實現(xiàn)的組合導航技術是一種比較理想的導航方式。