梳理｜车载导航系统

车载导航系统是近十年来新起的一种汽车驾驶辅助设备，驾驶者只要通过检索设定或输入的目的地，车载导航系统就会根据电子地图自动计算出最合适的路线，并在车辆行驶中通过语音提示、图像显示等方法指示驾驶员按照计算的路线行驶，准确的掌握前往目的地的路线。车载导航系统具有GPS全球卫星系统定位功能，方便我们在驾驶时随地知晓自己的确切位置。

1.1车载导航的背景

车载导航技术诞生于上个世纪后期，主要功能包括汽车的位置的定位，目的信息提供以及路径引导，以及良好的易操作性。在经历了一段走向成熟的过程之后，逐步推向市场。尤其进入新世纪以来，车辆不断增多，道路状况日渐复杂，这就对导航技术产生了巨大的市场需求，因而推动导航技术取得了长足的进展。

1.2车载导航系统的概述

具有GPS全球卫星定位系统功能，让您在驾驶汽车时随时随地知晓自己的确切位置。车载导航具有的自动语音导航、最佳路径搜索等功能让您一路捷径、畅行无阻，集成的办公、娱乐功能让您轻松行驶高效出行！

1.3车载导航系统的特点

实现实时位置测定具有自动检索与图像放大等功能自动修正车辆位置交通行业控制管理的重要组成部分

1.4车载导航系统的分类

车载导航综合系统汽车开环与闭环导航系统无引导功能的导航系统内部信息导航行驶系统地磁导航系统惯性导航系统无线电导航系统。

2.1车载导航系统的主要功能

2.1.1定位功能

汽车电子导航系统须在地图画面上表示出对车辆正确的测定位置。

位置的测定方法有：

（1）自行定位法：所谓的自行定位系统是利用在汽车上安装的角速度传感器（陀螺传感器）和车速传感器。以检测出汽车的行驶轨迹和车辆位置的检测方法。但自行定位方法如果遇到象渡轮等方式进行移动车辆后，就不能完全正确检测出车辆的实际位置而必须对其位置进行修正。

（2）GPS全球卫星定位法：利用GPS卫星所发出的电磁波检测出车辆的位置。GPS电波导航在信号接收不到时将无法检测出车辆的位置。

（3）复式定位法：复式定位法是以自定位与卫星全球定位两种方式相组合,即复式定位方式。即使在无法接收卫星信号时车辆也能自行定位导航。

（4） 地图匹配法：通过比较复式定位方法算出的经纬度、方位、车辆行驶轨迹和存放在地图CD里的道路数据，推定车辆正在行驶的道路位置，以期求得更加准确的车辆现在位置的技术。现代导航系统大多使用地图匹配法[2]。

2.1.2电子地图显示功能

电子地图上显示的内容包括，地图背景，自车位置，引导路线，Mark(标记点)，UserMark(用户自定义标记点)，比例尺，地图方位，到着时间，残余距离，走行轨迹等。

2.1.3导航功能

用户在电子地图上指定目的地后，给出目的地和当前车辆位置的连线，并给出合适的到达目的地的最佳路径，以醒目的颜色显示，并根据汽车新位置不断修正以上显示；用户还可以根据自己得喜好选择各种路线条件，如推荐，距离优先，一般道优先，道幅优先等。

2.1.4查询功能

可以通过住址、设施名称、拼音等进行检索地图中各单元的信息。以便设定为目的地或或经由地或进行其他操作，还可以查看引导道路情况及标记点周边情况等。

2.1.5多媒体功能

随着导航技术的日益成熟化，导航仪上的功能也日益多元化。不仅仅起到导航的功能，更增加了电视、DVD/CD、MP3、FM等多媒体功能，让用户在开车的时候能充分享受到导航系统带来的驾驶乐趣。

2.2车载卫星导航系统的四大要素

卫星信号信号接收信号处理地图数据库

2.3汽车GPS导航系统的结构与原理

2.3.1 GPS导航系统组成

GPS导航系统由空间部分、地面监控部分和用户设备部分组成。

(1)空间部分：使用24颗高度约20000km的卫星组成卫星座，24颗卫星分布在六个等间隔轨道上，轨道面相对赤道面的倾角为550每个轨道面上有4颗卫星，卫星轨道为圆形，运行周期为11小时58分，这样的卫星分布，可保证全球任何地区、任何时刻有不少于4颗卫星以供观测。

（2）地面监控部分：包括四个监控站、一个主站和注入站，全部位于美国境内，监控部分的主要任务是监测每颗卫星的运行情况，并通过注入站及时修正卫星的有关参数，以保证整个GPS系统能正常运行。

（3）用户设备部分：主要是GPS接收机，它接收卫星发射的信号，根据导航电文提供卫星位置和钟差改正信息计算用户的位置。

2.3.2基本原理

卫星导航系统是随着空间技术的发展而出现的一种空间基准的无线电导航系统。

导航卫星在围绕圆形轨道运动时，发出事先决定的图像信息。接受侧根据卫星发出信号至接收到其反射信号的滞后时间，算出接收侧与卫星的距离R。以这个距离为半径，以卫星为圆心，就形成一个球面。当接收侧同时知道三颗导航卫星的距离时，就可形成三个球面，三个球面的交点就是接收侧的位置，也就是汽车的位置。

2.4电子地图

电子地图是现代车载导航系统中的最基本的也是最重要的部件之一。在早期电子地图只是单一的用作地图使用并无引导作用。随着科技的发展，电子地图结合GPS技术、传感器技术等的发展，在各种先进的导航技术中已经广泛应用，上述分类中绝大部分车载导航系统中都包括有电子地图。

电子地图包括道路、地名以及各种设施。除了显示本车位置和方向外，导航信息还有已行驶轨迹、当时位置到目的地的方向和直线距离。驾驶员可通过按键输入本车位置和目的地、缩放地图的比例尺，或者选择显示CD-ROM数据库中的任意区域的地图。

各种比例尺的地图显示和车辆定位是电子地图的关键技术。随着电脑技术的发展和普及，导航电子地图在人类活动中将具有深远的意义和广泛的前景。

3.1车载导航仪的工作过程

目前世界上应用较多的是自主导航, 其主要特征是每套车载导航设备都自带电子地图, 定位和导航功能全部由车载设备完成。它的工作过程主要有以下几个步骤 ：

行驶路线的计算用户输入目的地 行驶中的导航

3.2汽车GPS导航系统

汽车GPS导航系统的结构主要由GPS接收天线、GPS接收机、导航计算机、可视显示器以及位置检测装置(绝对位置检测和相对位置检测)等组成。

系统根据不同的位置进行分类检测，绝对位置的检测采用GPS全球定位系统，相对位置的检测采用方向传感器(如地磁传感器、光纤陀螺仪)，并利用车轮转速传感器测量车辆行驶距离。

3.2.1传感器

（1）罗盘传感器：它是一个双线圈发电机型地磁矢量传感器，由一个励磁线圈和两个垂直的线圈缠绕在具有高磁通率的圆环磁铁上组成。通过检测地球的磁场确定汽车的绝对行驶方向。

（2）车速传感器：车速传感器可采用与ABS系统相同的轮速传感器。汽车转弯方向上的变化可以通过左右车轮转速传感器的输出脉冲差进行检测。

（3）陀螺仪：在导航系统中通常使用陀螺仪测定汽车转弯角速度是确定汽车行驶方向的另一种方法。

①气流陀螺仪：它是利用氮气的惯性检测方向，而不是利用地磁。密封在容器内的氮气在压电振子循环压缩机的作用下，在容器内循环。当汽车直线行驶时，氮气使两根热线均匀冷却，故两根热线温度相等。一旦汽车改变方向，氮气流由于本身的惯性而过分偏向一侧，使固定在汽车上的检测器的两热线冷却程度不等，结果产生温度差，并以电位差的形式表现。由于两热线构成电桥电路，故该输出电压两点间的电位差与汽车的偏转率成正比。

②光纤陀螺仪：光从光纤线圈A点入射，经向左向右两个方向回转传播，光程相同时两方向同时经过一个周期到达输出的B点。当光纤线圈向右旋转的角速度为ω，则从A点入射的同一周期左右方向传播的光程不同，右回转比左回转传播光程长，两者相差一定角度。在原输出B点测量两方向传到的光相位不同，测定两个光干涉的强度，可以确定两方向光的传播时间差(相位差)，从而计算出光纤线圈(汽车)的转向角速度ω。

3.2.2 LCD显示器

平板显示器发展趋势表明，薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器(TFT AM LCD)是一个发展方向，因为它的每个像素都配置一个半导体开关器件来驱动，从而实现了高亮度视频图像显示，具有对比度好、扫描线多、视角宽、低反射等优点。

日本已把三基色(RGB)TFT AM LCD制定为导航用标准显示器。

3.2.3 CD-ROM驱动器

为使驱动器更快地从光盘上读取数据，快速送CPU进行处理，缩短LCD画面上频繁显示执行程序的时间和读取数据的等待时间，这里选取4倍速650MB的CD-ROM驱动器。这样可使LCD显示效果的不连续性得到平滑，也保持了声音和图像的同步。

3.2.4 RF调制解调器和RF天线

使用RF调制解调器和RF天线接收主控中心发出的信息，同时可反控汽车，实现动态导航。通过RF调制解调器建立与交通信息系统(VICS)的联系，得到交通堵塞、道路障碍、施工、停车场情况以及交通规则变化等实时交通信息，使驾驶员作出快速反应，解决城市交通堵塞问题。

3.2.5 GPS信号接收机

GPS信号接收机主要由天线单元和接收单元两部分组成。

（1）天线单元：天线单元由接收天线和前置放大器两个部件组成，GPS信号接收机一般采用全向振子天线、小型螺旋天线和微带天线。

（2）接收单元。接收单元主要包括以下部件：①信号波道。②存储器。③计算与显控装置。

3.2.6 导航计算机

导航计算机能根据全球定位接收系统接收到的卫星信号和装在车上的传感器输入信号及存储器中的地图数据，经过计算处理后，再进行综合的图像协调，然后通过显示器将地图显示在其屏幕上，并以闪光的标志表示汽车的实时位置；而且还能指示应该行驶的方向，并不断显示出目前到达目的地的距离。通过检索键还能很方便地找到要去的目的地和最佳的行驶路线。

为满足车载导航高精度快速数据处理的要求，对导航计算机(ECU)的CPU应选择32bit(或64bit)的嵌入式实时操作的CPU。因为嵌入式CPU适合于过程控制如实时操作处理，尤其正在兴起的仿PC结构的嵌入式微处理器，它除具有嵌入式过程控制外还具有PC机的丰富软件支持，这对于高速行驶的汽车快速处理数据是非常适用的。

3.2.7 自律导航

当汽车行驶在地下隧道、高层楼群、高架桥下、高山群间、密集森林等地段与GPS卫星失去联系、中断信号的瞬间，机内可自动导人自律导航系统。此时车速传感器从汽车前进的速度中检测出车速脉冲(不同车型，车速脉冲值不同，要注意修正)，通过车载导航计算机(ECU)的数据处理，从速度和时间中直接求出前进距离。陀螺传感器直接检测出前进方向的变化和行驶状态(即汽车前进的角速度变化值)。例如，汽车行驶在勾状山道、发夹式弯路、环状盘形桥上、轮渡过河等地段时，所有这些曲线距离与卫星导航的经纬度坐标产生了误差，通过陀螺传感器的检测和微处理器的运算才能得到汽车正确的位置[3]。

资料来源：网络