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1、汽车导航(NAVI)系统技术,钱兴晟江苏汽车技师学院2011年5月3日,2,课程大纲,第一部份:汽车电子技术发展简述第二部份:NAVI技术知识分享 1.NAVI基本概述 2.GPS导航相关原理 3.电子地图相关知识介绍 4.陀螺仪基本原理 5.汽车GPS产品简介 第三部份:GPS发展前景及用途,3,第一部份:汽车电子技术发展简述,汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命，汽车电子化的程度被看作是衡量现代汽车水平的重要标志，是用来开发新车型，改进汽车性能最重要的技术措施。汽车制造商认为增加汽车电子设备的数量、促进汽车电子化是夺取未来汽车市场的重要的有效手段。随着几年来消费者对汽车安全性、舒
2、适性和娱乐性的需求不断增加，引发了整车装备电子设备的一股热潮。自诊断系统、电子稳定系统(ESP)、导航设备（GPS）、胎压监测（TPMS）等一大批电子控制设备成为高端汽车的标准配置，并逐步向中低端车辆渗透。随着整车的科技含量逐渐提升，单车所装备的电子产品不断增多，汽车电子在汽车成本中所占比重也有了较大提升。一些豪华轿车上，使用单片微型计算机的数量已经达到48个，电子产品占到整车成本的50以上，目前电子技术的应用几乎已经深入到汽车所有的系统。,4,图1 20032007年中国汽车电子产品销售额及增长率,第一部份:汽车电子技术发展简述,5,汽车电子系统分类(功能别),发动机管理 动力转向 变速箱管
3、理排放系统,动力系统,舒适设备和车辆控制,组合仪表盘 照明/座椅 空调控制 语音识别 远程无钥进入 安全报警系统 雨刷/车窗控制,辅助驾驶,夜视 道路偏离报警 自动巡航控制 碰撞报警 辅助停车/倒车 胎压监控 平视智能显示自动感应大灯,信息娱乐和通信,远程通信 导航/GPS 多媒体系统 音响系统 后座娱乐 游戏控制台 选台（SDR）,CAN.LIN.MOST.FlexRay,汽车网络,安全系统,安全气囊电子悬挂 线传操控 制动系统ABS/ESP/TCS,6,汽车电子系统分类(专业别),7,汽车电子系统分类(专业别),8,第二部份:NAVI技术知识分享 1.NAVI基本概述概述 2.GPS卫星相
4、关原理 3.汽车用地图相关知识介绍 4.汽车陀螺仪基本原理 5.汽车GPS产品简介,9,1.NAVI基本概述,何谓“车载导航系统”,NAVI:Navigation 是拉丁语NAVIS(船)和AGERE(引导)两个词结合,意思是引导船舶安全到达目的地车载导航由自律航法（推测航法）与电波航法混合方式而成,10,天上卫星,车速信号,电子地图,陀螺仪,车载导航系统机构,1.NAVI基本概述,11,美国：GPS(Gloabal Positioning System)全球定位系统俄罗斯：GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System)全球导航卫星系统。简称：格洛纳斯
5、欧洲：GNSS(Galileo Navigation Satellite System)伽利略导航卫星系统。中国：北斗导航系统CNSS，1983年提出”双星快速定位系统”，只能定位自己国家和附近的地区，而且目前只用于军方。汶川地震时用上.日本：正在积极筹划建立多功能卫星增强系统（MSAS）,2.1各国“卫星导航系统”概述,2.GPS导航相关原理,12,美国GPS,俄罗斯 GLONASS,欧洲 GNSS,中国CNSS,四大“卫星导航系统”,2.1各国“卫星导航系统”概述,13,“格洛纳斯”系统标准配置为24颗卫星，而18颗该系统卫星就能保证为俄境内用户提供全部服务。据悉，目前俄罗斯有17颗“格洛
6、纳斯”系统卫星。,1995年俄罗斯耗资30多亿美元，完成了GLONASS导航卫星星座的组网工作,俄罗斯 GLONASS“格洛纳斯”,2.1各国“卫星导航系统”概述,14,欧盟 GNSS伽利略部署方案,伽利略卫星效果图,分两个阶段实施，即2008年至2013年的建设阶段和2013年以后的运行阶段。欧盟将在建设阶段出资34亿欧元，用于完成伽利略计划的基础设施建设，其中包括30颗卫星的发射。,2.1各国“卫星导航系统”概述,15,中国自行研发北斗卫星定位系统,前两颗“北斗一号”卫星分别于2000年10月31日和12月 21日发射升空;2003年5月25日零时34分 发送第三颗,2.2中国：CNSS北
7、斗导航系统,2.1各国“卫星导航系统”概述,16,中国北斗全球卫星定位系统模型,北斗卫星导航定位系统，是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是除美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。,2.2中国：北斗导航系统CNSS,2008-2-1 国内首款中国北斗导航核心芯片“领航一号”正式诞生。业内人士表示，北斗导航定位系统的开发从根本上打破卫星定位导航应用市场由GPS垄断的局面,17,2.2中国：北斗导航系统CNSS,系统构成与工作原理,18,系统构成与工作原理,北斗卫星定位系统覆盖范围是北纬555，东经70140之间的心脏地区，上大下小，最宽处
8、在北纬35左右。其定位精度为水平精度100 m(1)，设立标校站之后为20 m(类似差分状态)。工作频率：2 491.75 MHz。系统能容纳的用户数为每小时540 000户。由于在定位时需要用户终端向定位卫星发送定位信号，由信号到达定位卫星时间的差值计算用户位置，所以被称为“有源定位”。,2.2中国：北斗导航系统CNSS,19,2.2中国：北斗导航系统CNSS,快速定位：北斗系统可为服务区域内用户 提供全天候、高精度、快速实时定位服务，定位精度20100m；短报文通信：北斗系统用户终端具有双向报文通信功能，用户可以一次传送40-60个汉字的短报文信息；精密授时：北斗系统具有精密授时功能，可向
9、用户提供20ns-100ns时间同步精度。,北斗系统三大功能,20,优势：和美国的GPS、俄罗斯的GLONASS相比，增加了通讯功能。全天候快速定位，与GPS精度相当。安全可靠，保密性强。劣势：有源定位系统，系统容量有限，定位终端比较复杂。区域定位系统，目前只能为中国及周边地区提供定位服务。,2.2中国：北斗导航系统CNSS,系统的优势与劣势,21,2.3 美国GPS导航相关原理,GPS:Gloabal Positioning System全球定位系统,22,美国GPS 实施计划共分三个阶段,方案论证和初步设计阶段,全面研制和试验阶段,实用组网阶段,1973 年 1979 年共发射了 4 颗试
10、验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。,1979 年 1984 年又陆续发射了 7 颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS 定位精度远远超过设计标准。,1989/2/4第一颗 GPS 工作卫星发射成功，表明 GPS 系统进入工程建设阶段。1993 年底实用的 GPS 网即(21+3)GPS 星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星,2.GPS导航相关原理,23,GPS 系统的特点:1、全球，全天候工作：能为用户提供连续，实时的三维位置，三维速度和精密时间。不受天气的影响。2、定位精度高：单机定位精度优于 10 米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。3、功能多，应用广：随着
11、人们对 GPS 认识的加深，GPS 不仅在测量，导航，测速，测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大。,2.GPS卫星相关原理,24,GPS主要分三大块:地面的控制站、天上飞的卫星、咱们汽车上的接收器。地面:1个主控制站在美国科罗拉多。3个地面天线，5个全球监测站，主要是收集数据，计算导航信息，诊断系统状态，调度卫星这些杂事。监测站将取得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据,经过初步处理 后,传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据,计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到3 个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时,把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GP
12、S 卫星每天一次,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低,2.3 美国GPS卫星相关原理,25,一个主控站：科罗拉多斯必灵司三个注入站：阿松森（Ascencion)迭哥伽西亚(Diego Garcia)卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii),Hawaii,Ascencion,Diego Garcia,kwajalein,2.3.1 地面控制站,26,2.3.2 天上GPS卫星,天上，有27颗卫星，其中24颗运行(均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗
13、),轨道倾角为55)，3颗备用。这些卫星已经更新了三代五种型号。距离地面20200公里。,卫星时钟采用铯原子钟或铷原子钟，计划未来用氢原子钟,发射两种信号：L1:1575.42MHZ L2:1227.60MHZ,27,卫星信号结构,每颗卫星都发射一系列无线电信号（基准频率）两种载波（L1和L2）两种码信号（C/A码和P码）一组导航电文（信息码，D码）,GPS 卫星信号,28,GPS卫星是由洛克菲尔国际公司空间部研制的，卫星重774kg，使用寿命为7年。卫星采用蜂窝结构，主体呈柱形，直径为1.5m。卫星两侧装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板(BLOCK I)，全长5.33m接受日光面积为7.2m
14、2。对日定向系统控制两翼电池帆板旋转，使板面始终对准太阳，为卫星不断提供电力，并给三组15Ah镉镍电池充电，以保证卫星在地球阴影部分能正常工作。在星体底部装有12个单元的多波束定向天线，能发射张角大约为30度的两个L波段（19cm和24cm波）的信号。在星体的两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网的通信。此外卫星还装有姿态控制系统和轨道控制系统，以便使卫星保持在适当的高度和角度，准确对准卫星的可见地面。,测试台架上的GPS卫星,整体效果图,2.GPS卫星相关原理,29,由GPS系统的工作原理可知，星载时钟的精确度越高，其定位精度也越高。早期试验型卫星采用由霍普金斯大学研制的石英振荡器，
15、相对频率稳定度为10 11/秒。误差为14米。1974年以后，GPS卫星采用铷原子钟，相对频率稳定度达到10 12/秒，误差8m。1977年，BOKCK II型采用了马斯频率和时间系统公司研制的铯原子钟后相对稳定频率达到10 13/秒,误差则降为2.9m。1981年，休斯公司研制的相对稳定频率为10 14/秒的氢原子钟使BLOCK IIR型卫星误差仅为1m。,2.GPS卫星相关原理,30,接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距,地心,Si,Pij,Pj,ri,Rj,有关各观测量及已知数据如下：r 为已知的卫地矢量P为观测量（伪距）R为未知的测站点位矢量,对卫星进行测距,2.GPS导航相关原理,31,
16、距离观测值的计算,接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的接收机本身按同一公式复制码信号比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟的时间t传播延迟时间乘以光速就是距离观测值=C t,卫星钟调制的码信号,接收机时钟复制的码信号,t,t,32,单点定位结果的获取,单点定位解可以理解为一个后方交会问题卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为测站至卫星的伪距（由时延值推算得到）由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差，要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：精度,经度,高程 h,钟差 t,2.GPS卫星相关原理,33,采用载波相位观测值,发自卫星的电磁波信号：,信号量测精度优于波长的1/100载波波
17、长（L1=19cm,L2=24cm)比C/A码波长(C/A=293m)短得多故GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距（C/A码或P码）定位高得多的成果精度,L1载波,L2载波,C/A码,P-码,34,组成星际站际两次差分观测值,可以消去卫星钟的系统偏差可以消去接收机时钟的误差,可以消去轨道（星历）误差的影响可以削弱大气折射对观测值的影响,35,解算出初始整周未知数,测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成（1）初始整周未知数n；（2）t0至ti时刻的整周记数Ci；（3）相位尾数i 如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数n 为了利用载波相位进行定位，必须先解算出初始整周未
18、知数，取得总观 测值n+Ci+i,36,弄清楚初始整周未知数的确定与定位精度的关系,如果无法准确解出初始整周未知数，则定位精度难以优于1m随着初始整周未知数解算精度的提高，定位精度也相应提高一旦初始整周未知数精确获得，定位精度不再随时间延长而提高经典静态定位需要30-80分钟观测才能求定初始整周未知数 快速静态定位将这个过程缩短到2-5分钟,37,2.4 GPS接收机,38,2.4 GPS接收机,GPS接收机现在一般都是12通道的，可以同时接收12颗卫星。早期的型号，比如GARMIN 45C就是8通道。GPS接收机收到3颗卫星的信号可以输出2D（就是2维）数据，只有经纬度，没有高度，如果收到4
19、颗以上的卫星，就输出3D数据，可以提供海拔高度。但是因为地球自己的问题，不是太标准的圆，所以高度数据有一些误差。现在有些GPS接收机内置了气压表，比如etrex的SUMMIT和VISTA，这些机器根据两个渠道得到的高度数据综合出最终的海拔高度，应该比较准确了。GPS接收机的第一次开机，或者开机距离里上次关机地点超过800KM以上，因为接收机里存储的星历都对不上了，所以要在接收机上重新定位。GPS接收机的使用要在开阔的可见天空下，所以，屋里就不能用了。手持GPS的精度一般是误差在10米左右，就是说一条路能看出走左边还是右边。精度主要依赖于卫星的信号接收，和可接收信号的卫星在天空的分布情况，如果几
20、颗卫星分布的比较分散，GPS接收机提供的定位精度就会比较高。,39,全球定位系统GPS(Global positioning System)是一个无线电空间定位系统。它利用导航星和地面站为全球提供全天候高精度的三维座标(经度、纬度、海拔)、三维速度(XYZ轴)和时间的定位信息,地球表面和上方任何地点可以无源方式接收用于定位导航。信号分为二种:军用:采用精测码(P码一Precision code),10123MHz 进行精密定位服务(PPS一Precision Positioning Service)。座标精度优于16米,速度精度0.1米/秒,时间精度100微秒。民用:采用粗测码(C/A码一Co
21、arse/Acquisition code),11023MHz 进行标准定位服务(SPS一Standard Positioning Service),2.GPS卫星相关原理,40,、GPS 定位原理 GPS 定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图所示，假设 t 时刻在地面待测点上安置 GPS 接收机，可以测定 GPS 信号到达接收机的时间 t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：上述四个方程式中待测点坐标 x、y、z 和 Vto 为未知参数，其中 di=c ti(i=1、2、3、4)。di(i
22、=1、2、3、4)分别为卫星 1、卫星 2、卫星 3、卫星 4 到接收机之间的距离。ti(i=1、2、3、4)分别为卫星 1、卫星 2、卫星 3、卫星 4 的信号到达接收机所经历的时间。c 为 GPS 信号的传播速度（即光速）。四个方程式中各个参数意义如下：x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。xi、yi、zi(i=1、2、3、4)分别为卫星 1、卫星 2、卫星 3、卫星 4 在 t 时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。Vt i(i=1、2、3、4)分别为卫星 1、卫星 2、卫星 3、卫星 4 的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。Vto 为接收机的钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标
23、 x、y、z 和接收机的钟差 Vto。,41,GPS误差GPS 定位的误差来源分析GPS 测量是通过地面接收设备接收卫星传送来的信息，计算同一时刻地面接收设备到多颗卫星之间的伪距离，采用空间距离后方交会方法，来确定地面点的三维坐标。因此，对于GPS卫星、卫星信号传播过程和地面接收设备都会对GPS 测量产生误差。主要误差来源可分为:与GPS卫星有关的误差;与信号传播有关的误差;与接收设备有关的误差。GPS误差来源.在GPS卫星定位测量中，影响观测量精度的主要误差来源一般可分为三类：.与GPS卫星有关的误差：卫星轨道误差、卫星时表误差。,42,陀螺仪基本原理,43,陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的
24、旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的 1.陀螺仪作为一种惯性测量器件，是惯性导航、惯性制导和惯性测量系统的核心部件，广泛应用于军事和民用领域。2.陀螺仪可以输出车体的俯仰，横滚角，航向角等姿态角；加速度计输出车体在某个方向上的线加速度。有了角速度和线速度，在初始坐标的基础上进行积分，就可以求出位置坐标。但误差会随着时间累积，因此一般惯导会和GPS或里程计组合进行导航。,44,陀螺仪的基本部件有：(1)陀螺转子(常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转，并见其转速近似为常值)；(2)内、外框架(或称内、外环，它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构
25、)；(3)附件(是指力矩马达、信号传感器等)。,45,46,各种光纤原理陀螺仪，航空方向陀螺，微机械陀螺仪。可以应用于航海，航空航天导航，导弹制导，方向，方位角，角速度速率测量，动态跟踪，机械平衡等各种要求定向，平衡等的相关领域。既有三轴姿态陀螺仪，也有单轴速率陀螺仪。部分产品有现货供应。VG941-3A光纤陀螺仪从1995年开始生产，属于尺寸非常小，启动非常快的光纤陀螺仪。VG941-3AS是绝对转速陀螺仪，输出电压和角速率成比例。,47,ADXRS300陀螺仪直接的用途就是做角速度测量仪,48,GPS导航电子地图,国家地理信息涉及国民安全，所以中国地图测绘资质一向管理严格，GPS导航电子地
26、图资质也不例外。到目前为止，国家共颁发了11张GPS导航电子地图资质，也就说拥有该资质的仅有以下11家公司。1、北京四维图新导航信息技术有限公司2、高德软件有限公司3、北京灵图软件技术有限公司4、北京长地友好制图技术有限公司 5、深圳市凯立德计算机系统技术有限公司6、易图通科技（北京）有限公司7、武汉武大吉奥信息工程技术有限公司8、国家基础地理信息中心9、北京城际高科信息技术有限公司10、北京科菱航睿空间信息技术有限公司11、武汉立得空间信息技术发展有限公司,GPS导航电子地图资质,49,1997年开始车载导航地图开发意向1998北京市区开展车载导航仪走行实验2001年四维测绘作为中国首家导航
27、数字地图商业化 企业获得政府的许可.2002年最初版导航地图制品上市贩卖。2008版地图收录状况(四维图新资料）：城市总数：2216个（遍布31个省市自治区）道路总长：202万公里（其中高速5万公里）POI 总数：155万个（各类商店/饭店/体育馆/医院/公园等等）数据收录：道路网、道路信息、交通规则等等交通信息传送计划：2008年：北京、上海、广州、深圳2009年：重庆、成都,中国电子地图发展历程,GPS导航电子地图,50,所有城市覆盖状况,GPS导航电子地图,51,电子地图产生基本流程,原始卫星照片,电子地图,地图公司开发,现地数据采集：500人(100辆车),15个基地,600人进行数据
28、输入及开发,GPS导航电子地图,52,汽车卫星导航系统产品简介,53,汽车卫星导航系统产品简介,54,主机产品外观图,基本电路原理图,汽车卫星导航系统产品简介,55,USB随身碟装置(MP3),AVN 商品系统图,RADIO-ANT,后荧幕*2,DTV-ANT,影音输入*2,CCD,ST-SW,喇叭,GPS-ANT,56,第三部份：GPS发展前景及用途,57,GPS前景由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府宣布2000年至2006期间，在保证美国国
29、家安全不受威胁的前提下，取消SA政策，GPS民用信号精度在全球范围内得到改善，利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到20米，这将进一步推动GPS技术的应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量，刺激GPS市场的增长。据有关专家预测，在美国，单单是汽车GPS导航系统，2000年后的市场将达到30亿美元，而在我国，汽车导航的市场也将达到50亿元人民币。可见，GPS技术市场的应用前景非常可观。,第三部份：GPS发展前景及用途,58,定位功能指挥调度电子地图地理信息信息查询处理功能防盗、反劫、导航,GPS用途,第三部份：GPS发展前景及用途,59,(1)GPS/GPRS组成原理图,
30、第三部份：GPS发展前景及用途,60,(2)卫星定位服务网络拓扑结构图,第三部份：GPS发展前景及用途,61,现在，人们越来越意识到GPS作用的重大及其应用领域的广阔，除军事应用外，它已被广泛应用于航天、航空、航海、测量、勒探等诸多领域，随着GPS接收板价格的不断下降和其性能的不断提高，GPS系统在汽车防盗上的应用越来越普遍，当汽车被盗时，GPS系统可不断提供被盗车辆的位置，从而配合警方快速出警，打击犯罪。例如：目前效力于意大利国际米兰队的世界著名球星罗纳尔多，在里约热内卢度假时驾驶自己心爱的宝马车遭到五名手持武器的劫匪打劫，幸运的是，罗纳尔多的宝马车装有卫星定位系统，不出1小时，被抢走的车就
31、物归原主了。正如专家所预言的那样，GPS将改变汽车防盗行业的经营方式，它将是继计算机革命之后的又一场革命。GPS适合用于：车载GPS系统，GPS系统，出租车GPS，物流GPS，汽车GPS，汽车全球定位，汽车防盗，GPS防盗，车载GSM，汽车位置服务，运钞车GPS，公交车队GPS,车载GPS，导航GPS，110联动GPS，公安巡逻GPS，120急救GPS，119火警GPS，中国移动GSM网络汽车锁，GSM汽车防盗汽器，报警器，防盗报警器，防盗器，防盗报警，防盗系统，防盗产品，家用防盗报警器，汽车单、双向报警器，家庭防盗系统，楼宇对讲，倒车雷达，汽车定位，摩托车防盗器，电动车防盗器，移动/联通GSM新业务，GPS导航，GPS汽车定位，GPS防盗器，GPS导航仪全球定位，GPS-GPRS-GSM全球卫星定位,第三部份：GPS发展前景及用途,谢谢！,
