全球定位系统(GPS)是由美国空军装备的,利用导航卫星检测位置的位置检测系统。它由三部分组成,分别为导航卫星(空间部分)、地面控制(监控部分)和车载部分(用户接收设备)。我国已在20个世纪末,发射和建立了专为交通运输应用的北斗导航定位系统,已在北天津、上海、广州、深圳等大城市中使用。 1.导航卫星(空间部分)。 GPS由24颗工作卫星和4颗备用卫星组成。它们分布在6个等间距的轨道平面上,轨道面相对赤道的夹角为55°,每个轨道面上有4颗工作卫星,卫星的轨道接近圆形,轨道高度为20183.6km,周期约12h,如图12-7所示。它可不间断地向地面发送自身星历参数和时间参数,在地球任何地方只要接收到3颗以上卫星的信号,通过GPS接收机就可算出该点的赤道经度和赤道纬度坐标。GPS能覆盖全球,用户数量不受限制。其所发射的信号编码有精码与粗码精码保密,主要提供给军事用户使用。GPS能够连续、实时、隐蔽地定位,一次定位时间仅几秒到十几秒,用户不发射任何电磁信号,只要接收卫星导航信号即可定位,所以可全天候昼夜作业,隐蔽性好。
2.地面控制(监控部分)。
地面控制由1个主控站、3个注入站和5个监测站组成。5个监测站是一种无人值守的数据采集中心,其任务是对每颗卫星进行连续不断的观测,并在主控站的控制下定时将观测数据送往主控站。5个监测站所提供的观测数据形成了GPS卫星实时发布的广播星历。主控站的任务是提供GPS的时间基准,控制地面部分和卫星的正常工作,包括处理由各监测站送来的数据、编制各卫星星历、计算各卫星钟的钟差和电离层校正等参数,并将这些导航信息送给注入站;此外,还用来控制卫星运行轨道、启用备用卫星等。注入站的任务是在卫星通过其上空时,把导航信息注入卫星,并负责监测信息的正确性。
3.车载部分(用户接收设备)。
车载部分由GPS接收机、调制解调器及电台组成,有的还包括自律导航装置、车速传感器、陀螺传感器、 CD-ROM驱动器、LCD显示器等。GPS接收机用于接收GPS发射的信号。
调制解调器用来控制GPS接收机的数据采集工作并将数据信息转换成模拟信号后再通过电台发往主控中心。
其工作原理是:导航卫星在围绕圆形轨道运动时,发出事先确定的图像信息。GPS接收机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,就形成了一个球面。当接收机同时知道3颗导航卫星的距离时,就可形成3个球面的交点,这就是接收机的位置,也就是汽车的位置,如图12-8所示。
当汽车行驶到地下隧道、高层楼群等遮掩物而捕获不到GPS卫星信号时,系统可自动进入自律导航系统。此时由车速传感器检测出汽车的行进速度,通过微处理器的数据处理,由速度和时间算出前进的距离,由陀螺传感器直接检测出前进的方向,陀螺仪还能自动存储各种数据。装在汽车上的主动响应天线接收导航卫星传来的时间信号。汽车行驶时主动响应天线不断调整天线角度,使之处于最佳接收状态。系统将时间信号与车载信息数据进行综合处理,为人们提供最佳路线和车辆的精确位置,驾驶员可通过LCD显示器屏幕看到所在地区的地图、车辆行驶路线、位置和最佳路线等,如图12-9所示。配有导航电视和激光视盘的车辆上,人们还可以查看行车指南、道路交通、天气情况等。
由GPS卫星导航和自律导航装置所测到的汽车位置坐标数据、前进的方向都与实际行驶的路线轨迹存在一定误差。为修正这两者的误差,与地图上的路线统一,需采用地图匹配技术,对汽车行驶的路线与电子地图上的道路误差进行实时相关匹配和自动修正。此时地图匹配电路是通过微处理单元的整理程序进行快速处理,得到汽车在电子地图上的正确位置,以指示出正确行驶路线。CD-ROM用于存储道路数据等信息,LCD显示器用于显示导航的相关信息。
导航系统构成部件在车辆上布置如图12-10所示。
行车前,驾驶员把要去的城市、街道地名等从键盘输入,导航ECU就会借助卫星系统的信号,并根据车速传感器、方向传感器等实测的数据,确定所去地点的方位,标明所去地点的最佳行车路线。驾驶员在行驶过程中可利用车内的显示装置,随时在屏幕上观察到汽车所在地区的地图和汽车在地图上任意时刻的精确位置。显示屏上还不断显示出到达目的地所剩的距离。
