车载导航系统（导航定位在汽车上的应用）

2023-12-15 20阅读

车载导航系统

导航定位在汽车上的应用

对于现代人而言，GPS已经不是一个陌生的名词了。虽然GPS系统一开始是为军事目的而建立的，但很快在民用方面得到了极大的发展。通过商业通信卫星，把GPS应用到车辆导航上面，为汽车驾车人指路，就成为了车载导航系统（又称为汽车导航系统，可简写为CIPS)。另一方面，传统的地图常常不能够跟得上街道的变化，又难以辨认，往往使得开车的人无法获得准确的指令。所以，能够利用高空上的卫星信号为汽车准确而又及时导航定位的卫星导航系统，就成了无价之宝。

车载导航系统主要由主机、显示屏、操作键盘（遥控器）和天线组成。它实现了野外踏勘、出游旅行的数字化智能导航。它具有准确的地图、地理信息，清晰的行进路线。

中文名	车载导航系统
外文名	GPS
应用学科	汽车
适用领域范围	汽车

原理

GPS系统的组成

GPS由三个独立的部分组成：

空间部分：21颗工作卫星，3颗备用卫星。

地面支撑系统：1个主控站，3个注入站，5个监测站。

用户设备部分：接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。

GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。

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=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。

Vti(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x、y、z和接收机的钟差Vto。

构成

目前的车载GPS系统终端通常由GPS模块、无线通信模块、报警控制模块、语音控制模块、显示模块和车载PC等几个部分组成：

1、GPS模块：安装到车辆上的小型装置，是GPS车载单元的一部分，用来接收卫星所传递的信息。

2、无线通信模块：通常采用车载无线电话、电台或移动数据终端（MDT）以完成信息交互功能。

3、报警控制模块：向监控中心网络发出报警讯号，通报车辆异常信息。

4、语音控制模块：完成声音控制及服务等功能。

5、显示模块：用来显示位置路况等视频图象信息，可选用LCD、CRT或TV显示。

6、车载PC：整合处理各功能模块，配合相应的软件，完成指定功能，如进行数据处理，计算出所在位置的经度，纬度，海拔，速度和时间等。

由于使用环境的特殊性，作为系统核心的车载PC的必须体积小，集成度高，功耗低，处理能力强，操作简单便捷。目前车载PC较多的使用嵌入式操作系统，如WINDOWSCE和嵌入式LINUX等。根据车辆使用的频繁性以及道路的复杂性的要求，它必须可靠性要高，且扩展性和兼容性要好．

应用

GPS车辆应用系统一般分为两大类：车辆跟踪系统和车辆导航系统。它们在功能上截然不同，一种是用于车辆的防盗，一种则是用于车辆的自主导航。由于“只接受，不发射”信号是GPS是接收系统的一大特点，所以用于防盗的GPS跟踪系统就是要借助通信网络以及政府配套系统给GPS车载防盗仪，提供收取使用费用的解决方案。而车载导航仪是通过接受卫星信号，配合电子地图数据，适时掌握自己的方位与目的地，自主导航的模式不收取任何使用费用，用户可以根据自己的需要有选择的购买地图数据。

GPS技术是利用GPS卫星信号接收的，可以24小时不间断地接收卫星发送的数据参数结算出接收的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。车载导航仪是通过接受卫星信号，配合电子地图数据，适时掌握自己的方位与目的地，自主导航的模式不收取任何使用费用，用户可以根据自己的需要有选择的购买地图数据。当使用者把车载GPS安装在车上后，无论使用者身处哪个城市、城镇或是郊区，我们都能在转瞬之间找到一家餐馆或是最近的一家加油站。

在中国，目前已悄然兴起GPS专业玩家一族，他们大部分是户外运动和汽车越野爱好者。这些使用者还可以通过车载GPS了解车辆行使方向，这样就取代传统的高度计，还可以显示海拔高度等信息。通过GPS对卫星信号的接受计算，可以测算出行驶的具体速度。对于那些热爱户外运动，汽车越野爱好者来说GPS让他们再也不会为迷失方向而苦恼，因为GPS导航仪可以让驾车者对行驶道路了如指掌。GPS导航仪还提供全程语音提示，驾车者无须观察显示界面就可能实现导航的全过程，使得行车更加安全舒适。

但由于GPS车辆导航系统在中国市场刚刚起步，市场氛围不如GPS车辆跟踪系统成熟，但谁也不否认，这个方兴未艾的市场具有无限的升值潜力。随着中国汽车工业的发展，汽车电子市场的逐渐成熟，消费者也越来越追求方便实用，根据这一趋势，国内的一些知名的汽车厂家，例如一汽、二汽、上海大众与通用等均有在豪华轿车或普通轿车上将GPS导航系统作为标准配置的打算和行动。

车载导航地图

车载导航地图是车载导航的核心部分，无论是GPS车载导航还是北斗车载导航，都需要有地图作为承载。一般GPS导航地图，北斗刚刚开始。随着中国私家车保有量的稳定增长以及智能手机销售量的激增，与之共同发展的中国GPS导航市场也保持了持续高速的增长。未来几年，随着中国汽车保有量的提升以及GPS设备的进一步普及，中国GPS导航市场将迎来更广阔的发展空间。

运用于北斗系统的电子导航地图在北斗民用化发展中的具有开拓性意义。各类民用车载、导航终端上的北斗地图，配合专用北斗芯片进行定位、导航，在大众化应用上展现了巨大潜力

功能

导航功能

使用者在车载GPS导航系统上任意标注两点后，导航系统便会自动根据当前的位置，为车主设计最佳路线。另外，它还有修改功能，假如用户因为不小心错过路口，没有走车载GPS导航系统推荐的最佳线路，车辆位置偏离最佳线路轨迹200米以上，车载GPS导航系统会根据车辆所处的新位置，重新为用户设计一条回到主航线路线，或是为用户设计一条从新位置到终点的最佳线路。

转向语音提示功能

车辆只要遇到前方路口或者转弯，车载GPS语音系统提示用户转向等语音提示。这样可以避免车主走弯路。它能够提供全程语音提示，驾车者无需观察起显示界面就能实现导航的全过程，使得行车更加安全舒适

增加兴趣点功能

由于中国大部分城市都处于建设阶段，随时随地都有可能冒出新的建筑物，由此，电子地图的更新也成为众多消费者关心的问题。因此遇到一些电子地图上没有的目标点，只要你感兴趣或者认为有必要，可将该点或者新路线增加到地图上。这些新增的兴趣点，与地图上原有的任何一个点一样，均可套用进电子地图查阅等功能。

定位

GPS通过接收卫星信号，可以准确地定出其所在的位置，位置误差小于10米。如果机器里带地图的话，就可以在地图上相应的位置用一个记号标记出来。同时，GPS还可以取代传统的指南针，显示方向，取代传统的高度计，显示海拔高度等信息。

测速

通过GPS对卫星信号的接收计算，可以测算出行驶的具体速度，比一般的里程表准确很多。

显示航迹

如果去一个陌生的地方，去的时候有人带路，回来时怎么办？不用担心，GPS带有航迹记录功能，可以记录下用户您车辆行驶经过的路线，小于10米的精度，甚至能显示两个车道的区别。回来时，用户可以启动它的返程功能，让它领着你顺着来时的路线顺利回家。

中国市场发展前景

目前中国的消费者多为第一次购买，倾向选择基本型、低价的车款（如近来热销的QQ车），消费者普遍对价格高度敏感，加上中国内地缺乏完整的地图内容支持，目前导航系统的功能较难适当发挥。然而中国幅员辽阔，一旦汽车使用普及至一般大众，日渐升高的区域间商业活动往来将创造大量导航需求，而此需求预计将从商业活动最为频繁的大型都市（如上海、北京、天津、广州等）向外扩散。

在OE市场方面，2006年搭载导航功能的车载影音系统需求量约14.7万台，占车载影音系统的2.7%，预计2013年将增长到174.3万台，增长率远高于基本型影音系统，搭载比例也将上升至14%。显示未来车载影音系统仍以附导航功能之整合式系统为主要增长产品。

基于对导航影音系统的乐观预期，目前日本与中国台湾厂商正积极布局。在OEM市场方面，可分为三种进入模式：第一，直接在中国设立制造工厂，供应合资厂，如Denso在天津设立制造车用导航系统的工厂，2006年2月开始生产，预期年产达60,000台，专供当地生产的Toyota车辆使用，预计2010年可增长到500,000台。

第二，与中国公司合资（中国公司股份超过50％），由中国公司提供地图内容，如Aisin AW于2002年8月与Golden SOFTWARE（北京公司）、FUJITSU Ten、及Yamada合资成立的北京ADF导航科技公司，预计2006年销售量达到60,000台，该公司以设计及营销中国车用卫星导航系统为主要业务，由Aisin AW与FUJITSU Ten负责提供技术与营运经验，由Golden SOFTWARE负责提供图资内容。Aisin AW、FUJITSU Ten与Yamada各占13.1%的股份，Golden SOFTWARE占55%，FUJITSU Ten中国子公司占5.7%。

第三，直接进口导航产品，透过中国通路销售，如Sanyo与海尔合作发展导航系统，该产品于日本制作完成后，再运送到中国以海尔的品牌进行推广与销售。Clarion已于2004年开始在中国生产车载导航系统。

在AM市场方面，2006年搭载导航功能的车载影音系统需求量约0.7万台，搭载导航功能的影音系统比例占总影音系统需求量的2.7%，预计2013年将增长到约70万台，搭载比例上升到18.67%，附导航功能的影音系统年复合增长率为92%，远高于基本型影音系统的42%。基本上，OE市场与AM市场需求量增长趋势大致相同，2009年后AM市场装载比例略高于OE，此乃因旧车车主将车载影音系统升级之需求。

中国AM市场附导航功能影音系统需求量与搭载导航功能比例在车载机方面，Clarion已在2006年6月宣布进入车载导航系统售服市场，销售整合导航功能的车载影音娱乐系统，企图借此拉抬在全球市场的占有率。另外Pioneer也在2006年2月推出附导航功能的整合式产品，价格约20,000元人民币。地图信息包括北京、上海、天津、广州以及20个省份与2个自治区。台湾厂商则由Garmin为代表。

在可携式产品方面，Garmin在全球导航系统市场表现亮眼，尤其在北美地区拥有5成左右市占率，在建构幅员辽阔市场的导航系统上，有长足之经验。其中国地图内容由北京合众思壮公司（Beijing UniStrong Corp.）提供。合众思壮目前是中国领导GPS产品厂商，过去与军方合作密切，多提供国防产品，近年来与Garmin及Magellan等大型国际厂商合作，转进一般消费者市场。

选购

概况

在目前汽车电子产品中，车载DVD导航所占比例越来越大,将近40%的新车车主都有安装车载DVD导航需求。因此，生产、贴牌各种DVD导航产品大量涌现，而产品的质量差异也超乎你的想象。

很多DVD产品刚一装上车，一踩油门音响喇叭就会发出尖叫声，声音和图像都非常差，因此39汽配网提醒网友在选购车载DVD导航产品时要重点注意如下几点。

音质

DVD是用来播放音乐的，因此音质好坏非常重要。因此，选购DVD之前一定要问清楚这台DVD机的前量输出是几“V”，或者把这台机器和其他DVD机进行音质对比。如果DVD机的音质能和CD机音质一比高下，价钱当然也不会便宜到哪里。

图像和DVD机配量

DVD屏幕有模拟屏和数字高清屏2种。模拟屏的像素一般是240*240或480*240像素，而高清屏一般都是800*480像素或更高。另外，好的DVD都是采用双光驱配量，即DVD、CD两种光驱。

导航的准确性和使用便捷

好的DVD厂家都会套用比较好的导航软件，较差的DVD导航容易在导航的过程中死机，或导航速度慢，导航的准确性也比较差。因为好的DVD导航采用的是“双核”模式，即采用两个独立的CPU处理系统，这样两个系统互不干扰，导航速度快，准确性高，使用方便。

主要是为船舶，汽车，飞机等运动物体进行定位导航。例如：

系统设计

在车载系统中，除了与行车操控密切相关的车体、传动及安全系统开始导入更多的电子功能外，资通娱乐系统也越来越多地应用电子技术。当这个结合信息、通信和娱乐的车载应用系统被转移到汽车市场时，也发展出其独到的应用特点。

Telematics是指整合通信与信息的新兴车载应用。在产品定位上，可以分为可携式设备和车装式设备两种。GPS导航定位在Telematics中具有关键性的地位，车载GPS系统除了可为驾驶提供导航信息外，当它与无线通信技术（如GPRS/3G）结合时，可提供定位信息给Telematics的服务供货商，当这些供货商的服务中心收到个别汽车的位置信息后，就能够为车主提供道路救援、失车找回等服务。另外，出租车、公交车或游览车也可采用GPS来发挥车队追踪及控管的功能。

GPS系统架构分析

在客户端的GPS装置是一个单向的GPS信号接收机，它可以接收来自天空导航卫星的定位信号，这20多颗卫星可传送L1及L2两种信号，使用的频率分别为1575.42MHz和1227.60MHz，一般民用的GPS接收机只需接收L1于1575.42MHz的频率。

GPS定位系统利用卫星基本三角定位原理，由GPS接收装置先找到3颗以上空中卫星的所在位置，再计算每颗卫星与接收器之间的距离，即可得出接收器在三维空间中的坐标值。

进一步来看GPS接收器的系统运作流程（见图1），GPS卫星信号先由GPS天线来接收，再经由RF射频前端将高频信号转为中、低频数字信号，再传送到GPS基频组件，此组件的核心技术在于相关器的设计，也就是透过相关器来比对找出正确的卫星编号，进而对照取得多颗卫星的万年历和广播星历等资料。通道的相关器越多意味着找到卫星位置的速度越快，目前一般的GPS接收器至少提供12个通道的相关器，更高阶的接收器则具有16个，甚至是32个通道的相关器。

GPS接收器的控制功能由微处理器或微控制器来实现，此处理核心可以来自外部，也可嵌入在GPS基频组件当中。目前较初阶的GPS接收器产品常用ARM7作为核心，高阶的机种则会升级到ARM9核心。此外，这类组件也具备微处理器支持功能，例如UART和实时时钟（RTC）。

星历数据会以NMEA0183或RTCM等格式输出到主处理器，进一步与GIS地图引擎整合以显示所在街道位置，或透过无线通信接口传出位置信息，让远程服务器能够提供进一步的相关位置服务。NMEA0183是GPS惯用的一种标准通信协议，它采用简化ASCII的序列通信协议来定义数据传送的格式。

当GPS采用差分定位（DGPS）的辅助定位模式，如美国的WAAS或欧洲的EGNOS系统时，则需输出RTCM或NTRIP1.0的协议格式。此外，由于不同的接收器所提供的原始数据格式通常会不同，当有需要针对不同型号接收器收集的数据进行统一处理时，就必须建立GPS通用数据交换格式。

GPS硬件架构选择要领

综上所述，一部车载GPS的硬件系统架构中，主要单元包括天线、RF前端、基频/相关器、处理器核心，此外，还包括内存、总线接口。这些单元可以采用离散式的方法来提高设计上的弹性，也可采用整合式的策略，将多个单元整合为一颗系统单芯片（SoC）、单封装（SiP）或模块，以降低设计的难度及成本。

当系统工程师在进行设计时，必须在效能、成本与弹性三大评量要件中进行选择。以效能来说，GPS接收器的效能指标有4项，分别是准确性、灵敏度、第一次定位时间、通道数量。当这4项效能指标都要求达到最高时，就必须强调接收器的处理器效能、相关器通道数量、内存容量及高速的对外连接接口。如此一来，产品的成本自然会大幅提升，这时大众市场未必能够接受，因此往往需要做一些必要的调整。

目前的技术已能够将GPS接收器架构中的射频及基频整合在一起，而高整合度的产品能提供更佳的成本效益。以ST的STA2056为例（见图2），它将基频与射频功能整合于小型的QFN-68封装之中。它在基频部分采用ARM7TDMI作为核心，频率可高达66MHz；在射频部分为主

动天线系统，含有易与被动天线连接的接口；此外，它还内建ROM及SRAM内存。由于只需要用到少数的外部组件，因此能降低总体物料成本；其小尺寸能让产品设计更为轻薄短小，而且具有低功耗的优势。不仅如此，此类整合性产品也让工程师省下调校射频与基频整合的研究精力，可加速产品上市。

GPS天线的需求特性

GPS天线也是决定GPS效能表现的关键。GPS卫星信号的背景噪讯为-136dBW，为避免干扰，国际电信法规规定卫星传送信号噪讯不得大于-154dBW，GPS的信号实际上相当弱，因此接收天线的灵敏度必须非常高。这和天线的大小及形状密切相关。可用于GPS的天线种类包括片状天线、螺旋式天线和平面倒F型天线（PIFA）等，其中又以片状天线和螺旋式天线使用最多（见图4）。由于GPS的信号属于圆极化波，所以GPS接收天线也必须采用圆极化的工作方式。

平板天线的好处是其耐用性及相对容易制作，成本也较低，不过它具有明显的方向性，平板要面向天空才能得到较好的接收效果。这种方向性会给使用上带来极大的限制；此外，它虽然能顺利接收到正上方的卫星信号，但若没有获取到低角度的卫星信息，误差就会相对较高，精确度也会下降。

较先进的做法是采用四臂螺旋天线，它拥有全面向360°的接收能力，使天线在任何方向都有3dB的增益。这让GPS接收器能以各种角度摆放，而且能接收到低角度的卫星信号。此外，也可导入Balun的电路设计，这样可以有效隔离天线周围的噪讯，能容纳各种功能的天线并存于极小的空间中而不会互相干扰，很适合手持设备的天线设计，不过此类天线的成本仍然偏高。

方位推估技术

在车载的导航使用中，常会因为遭遇到环境上的遮蔽因素而造成导航工作无法正常运作。在高楼林立的巷道中，收信状况往往极差，当行进隧道中时，更是完全没有信号可用，这时可以透过方位推估（Dead Reckoning，DR）技术来作为暂时的导航工具。

DR的技术原理是透过能感测或测量距离及方向改变的装置，来估算出汽车移动位置的改变。正向的行进距离通常采用量程计或加速度计来进行量测；转动角度则使用磁罗盘、陀螺仪或差分里程计来量测；高度上的变化则需使用气压计。整合设计实例见图5。

里程计是每台汽车中必备的装置，GPS接收器可透过CAN Bus来连接里程计以进行测量，但里程计的缺点是会因使用时间过长导致准确性降低。较先进的做法是采用MEMS技术的加速度计和陀螺仪，它们的体积小，也容易进行系统整合，但是，精确度高的MEMS组件也需要较高的成本。此外，在实际应用中要提升DR系统的精确性，还要时常进行在线传感器的校准，这时就需要GPS的定位信号来修正DR传感器的参数项目。

在短时间内，DR的正确性相当高，甚至可以高于GPS，但随着使用时间的增加，DR的误差累积效应会越来越大，导航的精确度就会大幅下降，这时必须回归到GPS系统来找出绝对的位置，才能再次使用DR。DR和GPS是相辅相成的车载导航系统，但目前商品化的产品仍然不多，主要的瓶颈在于DR传感器的准确度和成本，以及与导航系统整合的算法开发方面。

GPS导航仪的如何选择

很多朋友在选择GPS导航仪会有一个误区，就是追求好看美观，当然好看美观是很重要，但是我们更应该知道导航仪的作用是导航，所以我们在选择导航仪一定要主要注重的是其本质，导航才是GPS导航仪的核心。

也有很多人，就听人家导购小姐介绍，说那款比较好，人家说这款是最近销量很好的一款，我们就会动心的，其实不是对导航仪动心了，是看人家导购小姐挺漂亮的，人家推荐的恰恰是利润最大的那款。

所以我们在选择导航仪更注重的是导航功能，现在市场上导航仪的品牌很多，并且种类也比较繁杂，对于一个外行还真不知道如何选择呢，今天小编就和大家谈谈如何为自己的爱车选择一款心爱的导航仪。

首先要说的是GPS导航仪的几个要素，

1)GPS信号接收灵敏度

2)软硬件兼容性以及稳定性

3)软件操作接口设计人性化问题

4)抗电子干扰问题

5)防水防震能力

6)GPS续航能力

7)屏幕显示效果问题

8）地图是否是最新GPS导航地图，是否有2款或者以上地图。

汽车GPS导航仪同质化比较严重，最好在购买之前，多比较几家品牌，看看功能是否适用，车载GPS导航仪中的灵魂是其所采用的地图及导航软件，一款好的地图能起到至关重要的作用。

只有具备了一些必备的条件，我们才考虑其他的辅助功能，购买汽车GPS导航仪不要因为高兴就忘了检查包装内的附件。要仔细核对，看看包括产品说明书、车载支架、电源、存储卡、数据线等是否齐全，如有短缺一定要当场提出，让商家补齐配件或者换个没有拆封的新品。

目前市场上的GPS导航仪品牌众多，质量、服务上难免良莠不齐，一些无良商家利用消费者追求高质高价的心理，进行铺天盖地的广告宣传，再将这部分费用计入产品成本中，由消费者最终买单。产品价格不低，但功能却未必不同。

安装步骤

1,驾车者应先输入自己的目的地至车载导航仪中。出行前，驾车者需要告知车载导航仪自己的目的地。若车载导航仪直接给出地图，那直接通过触摸即可选择好目的地。不同的车载导航仪的输入设备不同，可以选择不同的地名输入方法，目前常用的为手写输入方式。

2,车载导航仪自动计算行车路线。导航地图是车载导航仪的信息库，它存储了路况信息和交通管理信息。驾车者输入出行目的地后，导航仪就会测算出最佳的出行路线，并选择路况信息最好的道路。如果您对车载导航仪的路线设置不满意，那也可以中途临时变换路线的选择原则。如果出行时，自己不小心偏离了车载导航仪的推荐路线，那可以将原有的路线删除之后再重新设置路线。

3,做好车载导航仪的输出设备的操作。车载导航仪包括了屏幕设备和语音设备两种。在行驶的过程中，驾车者只要听取车载导航仪的语音提示就好了，万不可多看屏幕，否则影响驾车安全。

参考资料

1.车载导航是什么系统?车载导航介绍·电动邦

车载导航系统（导航定位在汽车上的应用）