车载导航(英文:Vehicle Navigation)是一种搭载在汽车上具有定位导航功能的系统。车载导航产品基本功能包括:静态信息查询,地图匹配静态路径规划与导航。
车载导航系统是把先进的卫星定位技术、地理信息技术、
现代移动通信技术、数据库技术、
多媒体技术和嵌入式技术等综合在一起的高科技系统。由于车辆导航具有
卫星定位系统功能,所以能让驾驶者在驾驶汽车时随时随地知晓自己的确切位置。车载导航还能告诉驾驶者去往目的地的最短或者最快路径。
车载导航设备在上世纪80年代问世,90年代初期真正进入市场,车载导航系统使用CD-ROM存储数字地图,通过GPS定位技术及地图配技术可实现车辆在电子地图中的自定位,并显示在电子地图上。之后车载导航增加了路径规划与导航、语音诱导及静态信息查询等功能。随着
信息技术的发展,车载导航广泛应用现代无线通信技术及
多媒体技术,实现实时动态车载导航功能。2004年以后,各种手持导航设备的出现,如PND、PDA、智能手机等,为车载导航地图的生存和发展提供了新的机遇。
发展历程
1921年,美国
明尼苏达州John J. Bovy 申请了一项手持导航工具专利:即可滚动地图,它可以安装在汽车上,为行驶的汽车导航。几年之后,类似的可穿戴地图概念出现在
英国,名为“Plus Four"腕带路线指示器。在1932年左右,
意大利一家公司发布了一款名为“Iter-Auto”的导航系统,这套系统可以整合到汽车仪表盘上,组成一个滚动式地图,另外该系统还配置汽车连接布线,能够在汽车驾驶过程中自动显示当地地图。
20世纪60年代和70年代,日本人和美国人都比较热衷于研究车载导航设备。1960年,美国成功发射了全球首颗轨道导航卫星系统,名叫Transit 1B。在随后几年时间,还陆续出现其他Transit 卫星,这套系统在1964年开始投入使用。这种
太阳能驱动的阵列用于接收无线电信号,为
苹果公司海军
极地潜水艇提供导航支持。它可以帮助船只识别其当前位置,所依靠的就是船只上空的
卫星,但是由于当时卫星数量不多,信号经常消失。在Transit 系统取得成功之后,美国海军研究实验室在1964年启动了一个新的卫星项目,名为TIMATION,这套系统基于原子钟的测距。
1966年
通用汽车汽车研究室开发过一种不借助卫星的导航辅助系统,名为“DAIR”。这种载装置拥有一个服务中心,提供两种通讯途径,可以依靠路边指示灯来获取有关交通信息的无线电信号更新。嵌入公路上的磁体能够“激活”有关下一个出口和当前速度限制的语音通知。司机可以依靠附近的路线导航站点来获得导航信息,同时也会获得一个打孔卡来充当方向箭头(向左、向右或直行),从而帮助司机顺利到达目的地。这款系统是在经过前期测试后,通用发现它并非一种提供导航服务的可行性途径。几十年之后,这个概念再次以OnStar之名重新启动。
1973年,日本国际贸易产业省(MITI)和富士重工共同发起了日本汽车导航系统研究项目CATC(综合汽车交通控制)。这些研究成果同样具有两大特点——高成本,低效率,所以没有普及的意义。1977年,美国发射NTS-2,它为NAVSTAR GPS的到来做好了铺垫。当卫星在
地球轨道上绕行时,电子设备制造商W Rockwell Collins已开始开发其首款GPS接收器,名为“Generalized Development Model”,这也是首款连接NTS-2卫星的设备,并在1978年前后开始在飞机系统上测试。
本田技研工业在1977年开发出了自家汽车导航系统,这家公司开发出了一种成本低且非常可靠的气体轴承
陀螺仪来辅助汽车导航。本田汽车导航设备能够追踪方向性转变和
惯性导航(依据速度和轨道来决定状态)。该系统能够在一个单色CRT显示器上展示汽车行驶状态,同时使用一个零起点和透明地图叠盖在给定的路线上追踪汽车的位置。1981年,这套系统作为辅助设备推送给经销商,但从未进入
成批生产。
在1983年以前,GPS卫星被严格限制在军用领域,但是美国总统
隆纳•威尔森•雷根(Ronald Reagan)当年颁布了一个指令对GPS卫星解禁,开放其民用和商业用途。由于NAVSTAR GPS 在1995年前还无法全部投入使用,因此像福特1983 年开发的Tripmonitor 导航系统还只能依赖于最初的Transit卫星来提供追踪服务。如果在卫星信号覆盖范围内,通过汽车上的后置天线来获取信号,汽车能够在400米范围被定位。如果失去与
卫星的联系,该系统则依赖于定位推算来更新其地理位置。同年,史坦利·霍尼(Stanley Honey)从Nolan Bushnell获得了一笔天使投资资金,当时他正完成了一个小型航海导航项目。为了寻找汽车路线导航领域的潜在机遇,霍尼创立了ETAK 公司。到了1985年,这家公司拥有了配置
向量地图显示屏的导航系统,该系统能够在汽车转弯的同时自动旋转,以便让目的地显示在地图上方。此外,这套系统能够将地图数据存储在3.5MB的小型盒式
盒式录音磁带上。ETAK对其地图进行了数字化处理,并通过向
联邦快递 和UPS等公司提供商业数据来获得新的营收来源。当时,这家公司庞大的数据库引来很多关注。这家公司随后被新闻集团收购,后来又转到
索尼旗下,最后被
TomTom纳入麾下。
1987年,车载导航系统开始使用CD-ROM存储数字地图。通过GPS定位技术及地图配技术可实现车辆在电子地图中的自定位,并显示在电子地图上。之后车载导航在之前导航系统基础上增加了路径规划与导航、语音诱导及静态信息查询等功能。90年代初期,车载导航真正进入市场。1996年,通用推出OneStar,这项服务能够提供基于手机的通讯连接,以获取OnStar客服中心帮助,并通过GPS追踪汽车位置。这项服务可用于紧急情况。但同时,OnStar还向高端用户提供语音路线规划导航,帮助后者寻找酒店和餐厅。同年,美国总统
威廉·克林顿建立了跨部门的GPS执行委员会。到了2000年前后,美国政府最终停止GPS选择性使用限制,将准确的全球定位数据开放,用于全球范围内的民用和商业使用者。
2000年以后,出现的HDD存储技术和2003年以后出现的大容量SD卡存储技术解决了CD和DVD不能多次再写的问题。基于HDD和SD存储的车载导航地图服务称为可擦写式服务。使用HDD技术的系统标榜提供更大的存储空间,并很快从10GB增加至80GB。像
松下电器Strada
.cnNVD905U等系统不光提供了触摸显示屏导航工具,还能够支持车载娱乐系统,并全部集成在一个便利包中。随着移动手机功能的不断增加,
TomTom等公司决定开发
手机导航应用。2002年,这家公司推出了针对PDAs的导航仪,并配置一个底座和GPS接收器来帮助地理位置定位。2004年,TomTom公司决定将这项技术融入到一种名为TomTom Go的便携式独立装置上。TomTom Go能够预加载地图,可以突出显示兴趣点,提供语音指示路线,通常使用的是名人声音作为播报语音。
2004年以后,各种手持导航设备的出现,如PND、PDA、智能手机等,为车载导航地图的生存和发展提供了新的机遇。车载导航地图不止是汽车的专属,而逐渐成为消费电子的标配。车载导航地图数据经过适当的内容裁剪和容量处理后, 就可以为手持导航设备所使用。车载导航地图的使用面和使用量迅速扩大, 促使车载导航地图成本迅速下降, 推进了车载市场的发展。2007年,爱信AW有限公司、
Zenrin有限公司、电装公司和
丰田汽车共同开发了世界上第一项向汽车导航系统自动提供差异地图数据的技术。其被命名为“Map on Demand”,并将作为丰田G-BOOK远程信息处理服务的一项新功能,从2007年春季开始向
日本驾驶员提供。Map on Demand提供日本所有高速公路和收费公路的最新数据,以及用户注册住所附近的道路和用户指定目的地附近道路的数据。 数据通过手机网络传输,并利用互联网下载为系统提供数据。
2013年,先锋推出了自家NavGate系统,这款系统能够提供一定程度的虚拟现实导航功能,在汽车遮阳挡的位置设置了一个大尺寸半透明投影屏用于投影驾驶员视野内的叠加图像。这样的设计有效避免了车外光线对投影仪的影响,能在驾驶员视野内叠加
高亮度高对比度图像。
2018年
欧盟强制新车配备手机连接系统(eCall system)大量汽车具备了互联网功能。在导航方面,这推动了无线地图数据更(OTA),额外覆盖范围的地图只要按需下载。
日本利用车载导航系统VICS(VehicleInformation and Communication System),已经实现了几乎全部城市道路的信息实时发布,车载导航系统会根据道路信息实时调整行驶路线。随着电子地图精度提高,表达内容也更加丰富,将交通详细地物,如红绿灯位置、人行横道和缓冲带等,在高精度导航地图中都可以被识别和表达,车载导航为自动驾驶提供更好的辅助,提升自动驾驶的安全程度。
功能
车载导航产品基本功能包括:信息查询与传输,地图匹配静态路径规划与动态定位导航。
信息查询与传输:通过多媒体技术,用户可以根据个人需要查询实时路况、旅行和生活等实用信息,无线通信技术为个性化服务的提供了较全面的拓展。车载导航集成办公、娱乐功能,实现了驾驶者安全驾驶过程中自由接收电子邮件、打电话拨号、查询特殊目的地、接收交通和气候信息以及改选音乐唱片等功能。车载导航还具有将定位信息传输到GPS持有人手里或者报警中心的功能,在这里称之为第三方。因此,GPS系统具有GSM网络通讯的功能,即利用GSM网络通过短信将相关定位信息传输到第三方。再通过微机对短信进行解读,从而在电子视频上显示出车辆的地理位置信息。
地图匹配静态路径规划:输入所去目的地地名或其他相关的信息后,汽车导航主机从GPS接收机得到经过计算确定的当前经纬度,通过与电子地图数据的对比,就可以随时确定车辆当前所在的地点。自动算出一条最合适的行驶路线。当然用户也可用其他选项进行最优路径搜索。此外,还可以通过技术手段实现监控、求助救援、交通路网调控等功能,充分发挥了交通基础设施效能。
动态定位导航:通过卫星定位技术和地图匹配技术,车载导航可以对车辆自定位,实时路况信息接收,及时显示汽车在预先制定的电子地图中的位置、行驶速度以及与目的地距离。车载导航还支持自动语音导航功能。目前车载导航系统实现了几乎全部城市道路的信息实时发布,车载导航系统会根据道路信息实时调整行驶路线。
导航分类
按功能分类
车载导航系统按不同标准有不同的分类。从实现导航功能的角度主要分为两类:一类是自主式车载导航系统,其车辆定位与导航功能均由车载终端完成,另一类是中心决定式车载导航系统,其部分导航功能需要由控制信息中心来完成。
自主式车载导航
自主式动态车载导航系统又可以称为车载终端决定式的动态导航系统。该系统根据实时交通信息,在车载导航终端上进行路径规划和导航。
自主式动态车载导航系统包含三个子系统控制信息中心子系统,车载导航子系统,无线通信子系统。控制信息中心子系统是所有车载子系统的控制和管理中心,由通信服务器、GIS服务器(电子地图数据库)、实时路况信息中心、应用服务器、中心接入服务器和指挥监控终端组成。车载导航子系统主要由电子地图数据库、定位、路径规划、路径引导、无线通信等模块组成。无线通信子系统为车载导航子系统和控制信息中心提供数据传输的无线通道,实现控制信息中心与车载导航子系统间的信息交互。一般采用无线通信网络、路侧红外信标、无线电信标等方式,还可以通过调频广播信号传输动态交通信息和其他服务信息。
中心决定式车载导航
中心决定式动态车载导航系统根据实时交通信息,对基于系统整体的多车辆进行路径规划,计算出每一个可能的起止点的最优或准最优路线供用户使用。中心决定式动态车载导航系统在结构组成上基本与自主式动态车载导航系统类似,功能实现区别主要体现在控制信息中心子系统和车载导航子系统:
控制信息中心子系统
控制信息中心子系统是所有车载子系统的控制和管理中心。主要提供接收目标车辆的定位信息、对路况信息数据进行融合、判断并发布实时交通信息、预测各路段行程时间计算可能起止点的规划路径、进行平衡交通分配以及向一个或多个车辆提供引导和咨询的服务。
车载导航子系统
车载导航子系统主要由定位、无线通信、路径引导等模块组成。车载子系统的主要功能是实现自车定位,传送自车定位信息至控制信息中心,然后接收控制信息中心传送的实时交通信息和满足用户需求的动态路线数据,然后实现行车导航,其本身不具备路径规划功能。
按硬件平台分类
根据采用的硬件平台不同,可分CAR-PC车载导航系统、DVD汽车导航仪、基于
掌上电脑的车载导航仪及其他形式的导航仪等。
CAR-PC车载导航系统
在1998年1月,美国消费者电子产品展示会上展出了首台CAR-PC系统。它安装在一台名为超豪华概念车Else的仪表板上,是属于开放式结构的轿车微机平台,使用微软Windows CE操作系统。从功能上看,它实现了较全面的功能集成。它集轿车音响功能、计算机功能、导航功能、语音识别式无线通讯系统功能等于一体,并以轿车技术为核心,为轿车提供了信息和娱乐设施,实现了驾驶者安全驾驶过程中自由接收电子邮件、打电话拨号、查询特殊目的地、接收交通和气候信息以及改选音乐唱片等功能。
CD-ROM/DVD汽车导航仪
CD-ROM/DVD汽车导航仪需要预先加装到汽车上的导航仪。并且一旦安装到汽车上后就无法拆下来,也不能移到别的汽车上使用。这类汽车导航仪需要使用经过屏蔽(防磁)处理的高价电缆线,以防止其电磁波对于其他的车载设备产生影响。
基于掌上电脑的汽车导航仪
无线通信技术较全面得拓展了个性化服务。由于掌上电脑在成本上的优势,和掌上电脑操作平台的开放易用性,都使得掌上电脑汽车导航仪成为了市场上广泛应用的一种车载导航系统。
应用技术
定位
定位方法
车载导航由
MCU组合导航计算模块、GNSS模块以及经MCU组合导航计算模块计算获得定位输出,并由车轮轮速脉冲计数器和GNSS模块共同组合输入至MCU组合导航计算模块。
定位方法包括读取车轮轮速脉冲数,获得轮速脉冲输入;利用轮速脉冲数递推计算位置,判断是否读入GNSS数据,以读入GNSS数据作为条件,读入可靠的GNSS数据;获得定位输出及误差修正等步骤。降低系统使用成本,提高定位可靠有效性,可得到与原来INS/GNSS组合同样效果,可靠性更好,减少了INS模块,有效地降低成本。同时在其他车载导航系统,包括里程计模块、所述惯性测量单元模块和所述地图匹配模块均通过RS‑232
串口调试软件或USB接口与导航
计算机进行连接。
定位流程分析
车载导航定位系统由北斗二代全球卫星导航系统、惯性导航系统、地理信息系统和数据融合与控制系统四部分构成;其中,惯性导航系统包括光纤陀螺、加速度
传感器、压力传感器、电子罗盘、整形电路及其与数据融合与控制系统连接的接口电路;数据融合与控制系统包括处理器及接口,处理器中集成有卡尔曼滤波模块。这种方法通过研发一种基于GIS技术的实时、稳定、高精度北斗二代与GP/INS组合车载导航定位系统,实现车载北斗二代和GPS导航定位终端的兼容使用并且与INS组合,用户既能接受到北斗二代信号,又能接受GPS信号,兼容使用,互相自动切换,提高了导航定位的精和可靠性。随着车载
组合导航系统的发展,车载组合导航系统的应用范围和应用领域也将会进一步扩展,在应用中积累相关的经验。
定位误差分析
GPS定位误差主要包括:结构因素导致的误差、卫星排列状态导致的误差及SA政策导致的误差等三种类型误差。
结构因素导致的误差包括:卫星产生的误差、大气层电波延迟误差和接收机产生的误差。
卫星排列状态引起的误差可用卫星与接收机相对几何位置定义的各种精度因子(Dilution of Precision,DOP)描述。SA (Selective Availability)是美国政府提出的人为降低民用GPS精度的一项政策,主要通过调卫星星历表与卫星时钟资料,产生卫星与接收机之间的距离误差。SA政策执行时,民用GPS定位误差在100米以上,车辆导航领域主要采用差分GPS定位手段。2000年美国克林顿政府取消了SA政策,同时也解除了GPS的SA误差。
导航
路径规划
无论是距离最短路径计算、行驶时间最短路径计算、拥挤度最小路径计算、行驶舒适度最优路径计算、行驶转弯最优计算,其采用的核心算法都是最短路径算法。因此路径规划就是利用最短路径算法在电子地图路网中求解用户需要的最佳行驶路线的过程。
在车辆导航系统中使用的最短路径算法可分为两类:一类应用在车辆导航系统中心端,该类算法根据用户申请向其分配动态最优路径,由于计算量很大,中心端一般采用高端
计算机或者并行计算机机群来提高计算速度;另一类算法应用在车辆导航终端,为了确保导航系统实时性,系统对该类算法的计算速度要求很高,因此一般采用分层搜索、分区搜索等方法提高算法计算效率。
路径引导
惯导/车体速度组合
根据车辆行驶特性,它的行驶轨迹约束在地面上,且主要沿纵轴方向运动,行车过程中,也可能存在偶尔停车。可以基于这样的运动学特性,提取有效信息来辅助惯导。目前已经提出的方法包括非完整性约束(Non-holonomic constraints,NHC)、零速校正(Zero-velocity updates,ZUPT)、零角
速率校正(Zero Angular Rate Update,ZARU)、零航向角速率积分(Zero Integrated Heading Rate,ZIHR)以及高度约束。
ZUPT/ZIHR
ZUPT技术已经有较长历史,可以追溯到上世纪60-70年代,美国炮兵部队测地中使用的定位定向系统(Position and Azimuth Determination System,PADS)。在ZUPT有效时,系统有一个已知的零速作为观测,用于和惯导的速度组合,降低定位误差
速率,并约束速度、姿态误差状态。原理上,ZUPT相当于静态条件下惯导自对准,有利于惯导姿态误差估计。高精度惯导在军用车载应用中利用ZUPT提高自主导航能力,在GNSS出现之前的
测绘学领域也利用ZUPT提高移动测绘作业精度,此时一般要求间隔一定时间(2-5分钟)进行一次ZUPT,通常持续20-60s。面向大众的汽车应用中,一般不做停车要求,而是检测随机产生的停车过程,从而执行ZUPT。停车状态中,往往航向不变,因此Shin和Groves分别提出零航向
速率积分(ZIHR)和零角速率校正(ZARU)方案控制航向漂移。ZIHR为ZARU的积分过程,对陀螺噪声抑制效果更好。
NHC/里程计(OD)
非完整性约束(NHC)假设车辆在侧向和垂向方向没有速度,也就是车辆不会产生蹦跳和侧滑,从而在车体系形成两个“虚拟”速度量测,是车辆运行过程中一个重要的导航辅助信息源。轮式地面车辆应用中,里程计(轮式编码器)是一种自主传感器,通过检测车轮转动圈数,输出车轮地面运行距离。
地图
地图应用流程
首先建立电子地图数据库并对道路网进行编码。其次进行地图匹配,分模拟导航和真实导航两种。地图匹配算法将其他定位方法(如 GPS、推测
航法等)测得的车辆位置或行驶轨迹,与车载的电子地图道路数据相比较、匹配, 找到车辆所在的道路,计算出车辆在道路上的位置,进而校正其他定位手段的误差。利用了GPS真实导航,再加上模拟导航的核对和不断修正, 相互结合才能完成真正的导航。最后根据定位信息和地图数据库,通过算法得到导引码,进行智能播音完成导航功能。 导引码的算法思路是:考虑现实中多少情况,然后分别给其编码表示;当实际遇到这种情况, 根据GPS定位信息,就可以智能化作出决策供人参考。
地图匹配技术
地图匹配(Map Matching,MM)是车辆导航系统中常用的定位误差修正方法,其基本原理是将定位设备输出的车辆位置或行驶轨迹与导航电子地图中道路数据相比较,寻找当前车辆行驶的路段以及车辆在该路段上的最可能位置。在车辆导航系统中,地图匹配技术是实现路径引导功能的前提条件,因为只有做好地图匹配才能准确获得车辆所在路段信息、车辆行驶距离信息、车辆前方交叉口信息等,这些信息是准确获得路径引导指令的基础。
地图匹配方法归纳起来主要有三种类型,即:点到点匹配,点到曲线匹配和曲线到曲线匹配。由于在地图匹配算法中考虑的匹配因素不同,因此不同地图匹配算法的精度和稳定性也不同。
基本组成
车载导航系统主要由主控
计算机、液晶显示器、语音报警器、
遥控器、组合导航处理器、GPS传感器、速率陀螺仪、光驱等组成。主控计算机视用户需求不同,可以是通用计算机,也可以是专用处理器。
无线数据通讯系统
无线数据通信系统就是指应用无线通信技术的
车载电脑系统。随着电脑和网络技术应用到汽车上,正在形成新的称之为无线数据通信系统的电脑市场。
无线数据通信系统是无线通信技术、
卫星导航系统、网络通信技术和车载电脑综合的产物,被认为是未来的汽车技术之星。汽车在行驶过程中出现故障时,通过无线通信连接服务中心进行远程车辆诊断,内置在
发动机上的计算机记录汽车主要部件的状态,并随时为维修人员提供准确的故障位置和原因。通过终端机接收信息并查看交通地图、路况介绍、交通信息、安全与治安服务以及娱乐信息服务等,在后座还可以玩电子游戏、应用网络,包括金融、新闻、电子邮件等。
通过
无线数据通信系统提供的服务,用户不仅可以了解交通信息、临近停车场的车位状况,确认当前位置,还可以与家里的网络服务器连接,及时了解家中的电器运转情况、安全情况与客人来访情况。也就是说,综合上述所有功能的车载
计算机系统称为无线数据通信系统。
组成
无线数据通信系统的应用领域基本上可分为前座系统、后座系统与引擎机械系统三大子系统。
前座系统主要以安全、车辆保全、驾驶简易性与舒适性为主要考量,而为了避免造成驾驶者分心,输入系统主要采用语音输入或触控面板;输出系统则为中尺寸面板(LCD或OLED)、语音输出或投射在挡风玻璃的抬头显示屏等。
后座系统则以多媒体娱乐为主,包括互动式游戏、高传真音响视听系统、随选视讯、数位广播与数位电视等。
引擎机械系统主要是根据车用电脑所收集的车况资讯进行车况诊断、行车效率最佳化、远距离引擎调整或零件预订等。
应用类型
无线数据通信系统目前主要应用在车载系统,根据使用目的可分为三种基本类型:交通信息与导航服务、安全驾驶与车辆保护及故障诊断的
车辆维护服务、娱乐及通信服务。为实现上述功能,同时也需要提供全球定位系统技术、地理信息系统(geographic information system,GIS)、智能型交通系统(intelligent transport systems,ITS)技术。值得一提的是无线数据通信系统逐渐演变为综合了全球
卫星定位系统的跟踪装置和无线通信等技术的车载系统。
卫星定位系统
卫星定位系统(GNSS)包括GPS系统、北斗导航系统、GLONASS、
伽利略·伽利莱等系统。以GPS为例:GPS(Global Positioning System)全球导航系统,也称全球卫星定位系统。通过24颗定位卫星提供的信号,不断对地面发射并提供三维位置、地面接收到这些信息后经中转设备处理,从而判定发射信息的物体所处方位。车辆自动导航系统,就是根据GPS接收机提供的车辆当前位置和用户输入的车辆目的地,参照电子地图计算合适的行驶路线并在行驶中以适当的方式给驾驶员提供必要的信息等程序来完成导航定位工作的。
组成
GPS由三部分组成:GPS空间部分、
地基监控组和GPS用户接收机部分。
GPS空间部分原本设计由24颗分布在6个等间隔轨道上的卫星组成。卫星分布可保证全球任何地区、任何时刻都不少于4颗卫星供观测。24颗卫星中3颗作为备份。每个轨道平面上有4颗卫星,它们按与地球成55°的相同方向运行,空间间隔约为90°。通过测量这些卫星到达的时间,用户可以用4颗
卫星确定4个导航参数:纬度、经度、高度和时间。2011年6月,
美国空军成功扩展GPS卫星,整调6颗卫星的位置,并加入多3颗卫星。这使工作卫星的数目增加至27颗,扩大了GPS系统的覆盖范围,并提高了准确度。截至2018年10月18日,在轨的工作卫星共有31颗,不包括备用卫星。
地基监控站由一个主控站和四个监察远控站组成。主控站设置在美国大陆,四个监控站分别设在
大西洋、
太平洋和
印度洋储岛屿上。
用户接收机通过接收多颗卫星的信号来解算出自身的位置,以实现定位和导航。GPS接收机可以捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号,并跟踪这些卫星的运行,对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理,以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间,解译出GPS卫星所发送的导航电文,实时地计算出测站的三维位置,甚至三维速度和时间。
定位过程
GPS结合电子地图能够实现城市交通管理、车辆调度管理,公安、银行车辆,港口、河流船舶的自动导引与监控,具有巨大的应用潜力。根据地形图制作而成的
向量电子地图,GPS坐标还需经过坐标转换才能正确与之匹配。下面将从GPS定位坐标系、WGS-84大地坐标、
地图投影、平面坐标变换等几方面详细讨论坐标匹配问题。GPS定位过程主要有如下几个步骤:
第一,确定用户的
宇宙直角坐标系位置,即用户的X、Y、Z位置。
第二,宇宙直角坐标系至WGS-84大地坐标系的转换,既求出用户的WGS-84大地坐标位置入、、h。
第三,坐标投影转换,即将球面坐标入、、h转换成平面电子地图投影坐标,如高斯-克吕格投影坐标。
第四,二维平面相似性变换,即经过平移、旋转、缩放运算,达到其与CPS地图的配准。上述四个过程全部都是由计算机用程序白动计算获得。
特点
GPS全球覆盖率高达98%。GPS系统是全天候,不易受任何天气的影响,三维定点定速定时高精度,测站间无需进行通讯,具有快速、省时、高效率的特点,应用广泛、多功、可移动定位。
电子地图
导航电子地图产品(digital map production for navigation system)是与导航应用系统配套使用的终端地图数据产品。其含有
空间位置地理坐标,能够与空间定位系统结合,准确引导人或交通工具从出发地到达目的地的电子地图或数据集。
在20世纪80年代末期以来一些发达国家开展了多尺度、高精度导航数据的研制和生产。
欧洲、北美、
日本已经形成了较成熟的导航数据生产技术,并已有覆盖面较广的商品化导航数据产品,其应用范围扩展到诸多领域,形成了巨大的市场规模。美国NAVTECH公司、欧洲Tele Atlas公司、日本数字化道路地图协会(Japan Digital Road Map Association,JDRMA)中的相关公司是世界上主要导航数据产品专业制造公司。
组成
导航电子地图的基本内容应包括路网、背景、注记、索引四大类信息,应能够支持导航系统实现:地图显示与定位、目的地检索、路径规划、引导与提示。路网信息包括道路信息和结点信息;背景信息包括行政区划及其他地物要素信息:注记信息包括地图上的重要地物、道路的名称信息:索引信息包括POI及地址检索信息。
道路信息包括道路编号、道路名称、道路功能等级、道路形态、道路宽度、道路通行方向、道路通行限制等,道路几何形状线;结点信息包括交叉口类别、道路连接关系、交通限制,结点几何形状为点。
应用模式
车载导航电子地图的应用模式主要有如下二种:一是GPS单机定位+
向量电子地图。该系统可根据目标位置(工作时输入)和
桨轮船现位置(由GPS测定)自动计算和显示最佳路径,引导司机最快地到达目的地,并可用多媒体方式向驾驶员提示。制作矢量地图数据库需要花费较大成本。二是GPS差分定位+矢量电子地图。该系统通过固定站与移动车船之间的两台GPS伪距差分技术,可使定位精度达到1~3M,当采用双向通讯方式时,则可构成车船的自动导航系统,又可将移动车船上的GPS定位结果准确实时地传送到控制中心,并在电子地图上显示出来,构成交通网络监控指挥系统。
输入输出设备
语音识别与合成
一般来讲,在驾驶过程中实现非手动的控制导航系统是非常重要的,这时候语音识别功能就非常的必要。人类的说话速度是打字速度的四倍,采用语言控制车载导航系统是安全、快速且有效的方式。
语音合成技术是通过机器将文本输出的信息转换成语言输出,以便和人进行交流。随着技术的发展,导航系统也愈来愈先进,在语音识别和合成技术上发展飞速。目前,很多的车载导航系统中语音系统的提示越来越多,但是如何将视觉和语音在导航系统中进行优化分配才能使驾驶者的安全性和方便性得到最优化,仍需研究。
输出设备
汽车自动导航系统的输出设备包括显示屏幕和语音输出设备,克服了在行驶过程中,驾驶员必须全神贯注于驾驶,不能经常查看显示屏幕问题,以一个实用而人性化的车辆自动导航系统利用语音输出方式完成,转弯、调头等时刻的
语音提醒,达到向驾驶员提示路况信息的目的。比如:车辆按照系统推荐路线行驶到应该转弯的路口前,语音输出设备提示驾驶员:“前方300m后请向左(或右)转”,这样驾驶员根本不必要关注屏幕的显示,也可以按照推荐路线正确快捷地到达目的地。此外还可随时查询沿途的酒店、商店、加油站、修理厂、车站、码头、服务区、收费处、医院、学校等兴趣点位置和最新路况信息,还可在汽车遭遇抢劫后在指定范围内停止
发动机的运行,并把汽车所处的位置报告警察。停车后娱乐设施可进行DVD 、VCD和音乐及广播台节目的播放,使用方便且更为人性化。
标准化情况
卫星导航相关的标准主要分为
卫星导航信号格式标准、接收设备数据格式标准、接收设备性能要求及测试方法标准。
卫星导航信号格式标准主要为接口控制文件(ICD文件),由各国导航卫星系统研发制定国公布,规定信号载波频率、数据码型、星历、历书等参数。目前,中国的北斗、美国GPS、
俄罗斯GLONASS、
欧洲伽利略·伽利莱系统均已公布接口控制文件。
广泛应用的卫星导航接收设备数据格式标准包括海洋电子设备接口标准NMEA0183、航海无线电技术委员会标准RTCM-SC104、航空无线电技术委员会的RTCA-SC159标准、
国际大地测量协会RINEX3.0标准等。
接收设备性能要求及测试方法标准主要采
国际电工委员会(IEC)的IEC61108系列标准。在信息通信领域,采用通信网络辅助的卫星导航方式提高导航定位性能,
射频性能一致性和协议一致性标准主要包括3GPPTS 36.305、TS 36.171、TS 36.355、3GPPTS 37.571 等。空间射频性能标准由国际标准组织CTIA负责制定,其中AGPS OTA标准在ERP工作组完成,A- GLONASS OTA 标准在A- GNSS工作组完成,A-BDS OTA标准在该标准中暂未涉及,标准版本还在不断更新中,最新版本为《ctia_ota_test_plan_ver_3_5》。中国JT/T590- 2004《北斗卫星无线电测定业务(RDSS)民用车(船)载 遇险报警终端设备技术要求和使用要求》、JT/T 808- 2011《道路运输车辆卫星定位系统 终端通讯协议及数 据格式》。
针对车载终端导航定位,主要有
俄罗斯的ERA-GLONASS系列标准和
欧盟E-Call系列标准。俄罗斯联邦国家标准:GOST 55534《车内紧急呼叫系统—导航模块的试验方法》、GOST R54620-2011《全球卫星导航系统、事故紧急响应系统、应急勤务部门车载呼叫系统通用技术要求》、GOST R51794《全球导航卫星系统—坐标系》等。欧盟标准为:CEN/TS 16454:2012《Intelligent Transport Systems-ESafety-ECall endto endConformanceTesting》。
发展现状与前景
发展现状
在导航电子地图及导航服务领域,伴随汽车产业智能化、网联化快速发展,基于主干路网动态信息选择合理出行路径、基于位置
大数据提升车辆联网驾乘体验和行车安全、基于剩余电量及路况信息规划新能源汽车充电策略等市场需求日益凸显,基于高精度地图的强地图模式正在成为自动驾驶厂商的主流技术方向,导航电子地图产品能力及服务形态加速向高精度、高精细化、可满足云端在线实时调用、可快速更新等方向进行演进和升级,导航服务应用终端从前后装导航车机、智能手机向智能座舱以及更多类型车载智能硬件领域拓展,具有车规级导航电子地图数据生产资质、具有实时数据采集及更新能力、能够满足市场发展需求的企业成为市场关注焦点,商业价值从移动出行向智慧城市管理、新基建建设、人-车-路-环境协同交互等领域延展。(截至2023.10)
发展前景
在市场方面,随着车载导航系统新车装配率不断提升和汽车保有量的增加,人们出行与消费观念的改变,对道路不熟悉的驾车人数正在迅速增加,安全便捷地到达目的地成为消费者的一个迫切需求。另外,汽车交通安全隐患的排除与处理、现代物流所要求的货物运送安全与准时、出租与旅游行业的发展、以及政府日常行政管理等各个方面需求,也将促进汽车车载导航系统装配率的提升。车载导航装置不再仅是高档豪华轿车的象征和专用品,而且已扩展到大客车、出租车甚至
卡车,就连经济型车辆也用上车载导航装置,车载导航信息终端向中低档车型普及已经成为市场发展的必然趋势。
在表达内容方面,随着电子地图精度提高,表达内容也更加丰富,将交通详细地物,如红绿灯位置、人行横道和缓冲带等,在高精度导航地图中都可以被识别和表达,车载导航为自动驾驶提供更好的辅助,提升自动驾驶的安全程度。
在技术应用方面,如果将相关数据处理运行在超高性能计算机系统而不是内置在汽车中的计算机系统上,它们的运行效果会更可靠,因此云计算、边缘计算、“云边端三体协同”的架构不断涌现,地图服务也逐步向云端迁移。基于目前的管理要求和管理手段,还不能实现高精度地图的网络传输,数据安全风险需要通过自主可控的手段加以控制,商用密码技术必参与其中。