GPS导航定位技术（精选十篇）
GPS导航定位技术 篇1
目前,GPS全球定位系统已经得到广泛的应用,在很多领域都可以看见G P S系统的应用。但是这些常见的产品都是经过封装和测试,并组装成一体机的最终产品。这样的产品可以满足其市场定位时设定的功能需求,但是,这样的成型的产品并不适合自行研发的自动化系统:一、这样的系统一般封装程度比较高,无法将上位机系统和下位机系统简单分离,无法将GPS定位模块与PCB板和控制模块简单分离,这样就使得自行研发的系统不能简单使用市场上现有的产品实现其功能;二、由于现有产品都是集成了上位机系统并进行了封装,这样使得其现有产品的价格包含了上位机系统和电子地图部分,这样会使整个自行设计的系统成本提高。基于以上理由,需要设计了一套符合系统需求的GPS电子定位导航系统。
2 系统需求分析与总体设计
GPS系统原名全球卫星定位系统,顾名思义其最主要的功能是定位,由此功能而衍生的其他应用和功能也已经为人们所熟知,比如导航功能,现在汽车上应用GPS导航产品已经非常常见,而该GPS定位系统现在只需要基本的定位和导航功能。虽然只有两个最基本的功能,但是对其定位精度要求是在1 0 m以内。
该G P S电子定位导航系统是要嵌入其他自动化系统中的,所以,整个系统虽然也分上位机系统和下位机系统,但是下位机系统要求体积比较小并且容易安装和调试。整个系统组成框图如图1所示:
3 系统硬件设计
3.1 单片机控制器模块
本系统采用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片,STC12C5A60S2单片机中包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、PCA、看门狗、片内R/C振荡器和外部振荡电路等模块。STC12C5A60S2系列单片机[1]几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块,可称得上一个片上系统。最小系统电路如图2所示:
3.2 GPS卫星定位器
该系统采用GS-87卫星定位模块[2]进行定位。数据帧信息包括:模块定位状态(A表示已定位,V表示未定位),模块所在地的经纬度信息。该模块采用外置天线,体积小,6个引脚,容易集成在电路中。正常工作时,采用4.3V电压供电,通过单片机串口2(P1.2和P1.3管脚连接GPS模块的TXD和RXD管脚)读取GPS数据信息。设置波特率为9600,并通过单片机串口1(P3.0和P3.1管脚)将数据发送至控制中心的上位机。控制中心上位机部分借助电子地图,显示当时的定位点,并能够指出相应的到达路径。GS-87卫星定位模块外围电路如图3所示。
4 系统软件设计
4.1 软件需求分析
本系统的上位机亦即软件部分主要功能包括:
1.接收并处理从下位机上传的数据。
2.利用SQL Server 2005软件和Visual Studio2008软件,将处理完的存入数据库,并在需要的时候,按一定的存取逻辑,将数据库中的数据取出。
3.通过Google Map API实现电子地图功能。
4.实现定位和导航功能。
根据以上所列功能,可以确定上位机软件分为三个部分:一、数据库部分;二、电子地图网页部分;三、Win Form程序部分。
4.2 数据库设计
数据库软件使用SQL Server 2005。根据已知的需求,建立2个第三范式数据库表,Setting表和GPS表。Setting表记录各种基础信息,这些信息一般一旦建立就不再更改,而且数据表也很少发生变动。G P S表记录GPS信息,此表字段要少于setting表字段,但是数据表记录会经常增加,致使数据表大小发生改变。这两个表的建立字段如图4和图5所示:
4.3 电子地图网页程序设计
电子地图选用Google Map API V2版本[3]。在电子地图网页的脚本元素中加入load()函数,具体代码如下:
在这个函数里,需要加入了3个G M a p控件和双击和滚轮改变大小,并且用set Center方法初始化地图。
在函数的最后,加入了单击和右击事件以实现特定的功能。当右击电子地图时,会判断右键点击的是不是标注点,若是标注点就弹出右键菜单,否则不做任何反应。当左键点击电子地图时,鼠标点击处的经纬度信息传回W i n F o r m程序,并在Win Form程序中显示出来。
接下来,就要实现导航和标注这两个功能。首先在脚本里添加2个基本功能函数,Add Marker()和Navigate()。Add Marker函数中最重要的脚本语句是var marker=new GMarker(point,myicon)和map.add Overlay(marker)。第一句是建立标注对象,地二句是将标注显示在电子地图上。Navigate函数最重要的脚本语句是
var directions=new GDirections(map)和directions.load("from:"+lat1+","+lng1+"to:"+lat2+","+lng2)。第一句是建立导航类对象,第二句根据传入参数进行导航。网页中还有一个功能是信息框功能,其中脚本语句是map.open Info Window Html(point,tabs)这条语句的功能是在指定点打开信息框。
这三个函数是基本功能函数,其他需要的功能都是在这些基本功能的基础上进行开发的。
4.4 Win Form程序设计
在W i n F o r m程序中,需要考虑预期的所有功能的具体实现和整个软件界面的布局等等。
从功能上来说,首先要实现从数据库中读取数据。为此,编写一个读取数据库的函数data Select函数[4],程序代码如下:
在这个程序中,主要查询的数据库表就是前面数据库设计中建立的GPS表,各种查询的最终目的就是通过各种查询逻辑将符合要求的GPS经纬度信息查询出来,并在电子地图上标注出来。
这时,就需要上文提到的Add Marker()函数了,通过调用这个函数,可以在电子地图上任意经纬度点实现标注。而另一个主要功能就是导航,这里要实现的导航非常简单,就是从一个固定点到另一个标注点之间的导航。可以将上文提到的导航函数Navigate()中的一个点的经纬度固定,另一个点的经纬度进行赋值,这样就可以实现预期的功能了。除此以外,还需要对每一个标注点的基本信息进行说明,要实现这个功能,需要上文说到的信息框函数,利用这个函数,可以在电子地图的任意标注点上打开一个信息框,并且在信息框中显示标注点要显示的各种相关信息。
在这里需要注意的是,要实现上述所有的功能,即在W i n F o r m程序中直接控制网页中的脚本函数,那么需要在窗口构造函数中加入一条语句:_b r o w s e r.Object For Scripting=this,这样才能将网页中的脚本与Win Form中的程序连接起来,以实现预期的功能,否则,网页中的脚本不会响应Winform中的事件和函数。
4.5 程序界面及验证测试
整个程序完成后,默认的程序打开界面如图6示。
在此程序界面中,主要的功能是通过在数据库中检索出所查点的经纬度信息,并将这些点标注在电子地图上,如图7所示。并且,可以右击某一标注点,打开右键菜单,如图7所示。
在右键菜单中,选择点击菜单中的功能,即可实现某一功能。若点击导航功能,就可以得到一条导航的路线,如图8所示。还可以在右键菜单中选择显示点信息,或者直接点击标注点,这样就可以得到关于这个标注点的信息框,如图8所示。
这样,就实现了预期的电子地图的功能,即标注与导航。但为了测试其定位准确性,我们使用达恒公司Pro Mark_200型号的专业GPS测量仪进行验证测试。这款测量仪的实时精度随使用模式的不同而不同,精度范围为1cm~50cm。通过使用测量仪进行实测,并且与现有的电子地图进行比对发现,此电子地图的精度在3~8m左右,符合我们预期的设计指标。
5 结束语
这个系统只是一个简单的实例,如果在实际的应用中若有其他的功能上的需求可以在这个系统的基础上进行功能上的扩充和性能上的改进。而且这个系统也可以根据需要,预留出一些接口并将上位机软件的功能封装成DLL文件,与某些大型的自动化系统相集成,以达到本系统研发的初衷和目的。
摘要：首先对GPS电子定位导航系统进行了总体结构设计,然后分别从上位机和下位机的角度对系统进行分析和设计。在下位机的设计中,包括STC单片机的使用,GPS定位模块的选择,单片机接口的设计等.在上位机设计中,包括数据库设计,Google Map开发,Javascript代码编写,C#语言编程,以及Visual Studio 2008的使用等.最后得到一个可以与其他系统相集成的GPS电子定位导航系统。
关键词：GPS,单片机,C#,Visual Studio 2008,Google Map
参考文献
[1]蔡美琴,张为民,何金儿等.MCS-51系列单片机系统及其应用[M].2版.北京:高等教育出版社,2004.
[2]王建敏,王天文.多模块GPS系统集成应用及精度分析[J].辽宁工程技术大学学报,2011,(1):46-49.
[3]江宽,龚小鹏.Google API开发详解:Google Maps与Google Earth双剑合璧(第2版)[M].电子工业出版社,2010.
GPS导航定位技术 篇2
打开手机“设置”——“更多无线连接” 打开“便携式WLAN热点”后，“点击设置WLAN热点” 使用小米平板，搜索WIFI“AadroidAP”输入密码就可以连接无线，使用手机网络进行定位
优点：方便、经济
缺点：定位有偏差
方法二：随身无线路由器
市面上类似的产品有很多，使用方面也很简单，就是普通的连接wifi，用wifi进行定位
优点：方便
缺点：价钱贵、定位有偏差
方法三：蓝牙GPS导航接收器
这种设备叫”蓝牙GPS导航接收器“，市面上的种类较多，价格也有差异性，看个人喜好而定
使用方法：
“设置”——“开发者选项”——打开“允许模拟位置”
然后在桌面打开蓝牙GPS 点击开启 就可以使用GPS导航地图了
优点：定位较准
缺点：搜星慢
随身定位GPS手机导航全接触 篇3
内置GPS芯片手机
由于支持GPS导航功能对手机性能的要求比较高因此目前可以支持GPs导航的手机普遍都是相对高端的智能手机。这些智能手机的共同特点是具有运算速度较快的cPu芯片和较大容量的内存，这样才能实时运算卫星导航和存储大容量的地图数据。现在主流的高端智能手机的系统主要分为两类，一类是采用微软Windows Mobile操作系统的智能手机，另一类就是以诺基亚为首的采用SymbianS60操作系统的手机。
诺基亚E90
因为种种原因，诺基亚停止了对E系列的继续开发。而E系列最后的型号Ego却是一款异常强大的怪兽机型，双屏架构的EgO采用横向折叠的形式，用作日常使用的手机外屏尺寸为2.4英寸，而折叠之后一块4.0英寸、1600万色TFT显示屏和QWERTY键盘让E90完全成为了一款真正的电脑，高达800×352像素的分辨率让操作得以非常舒适，用户能够快速流畅地输入字符。此外EgO还搭载了一颗320万像素CMOS镜头，支持自动对焦和视频拍摄。定位为“个人通讯器”的E90除了强大的商务性能在网络连接等方面也有着良好的兼容性，除了集成WLAN外，还支持红外，蓝牙和USB传输。同时，还内置了GPS导航模块和相应的地图资料，在大屏幕的帮助下可进行自由定位和路线计算，为高端用户带来更大的方便。
诺基亚N95
N95堪称是目前市场上机皇级别的机型，独特的双向滑盖机身，除了将传统数字按键收入机身内部，在显示屏的另外一侧还专门设置了滑盖面板，将多媒体按键独立出来。作为一款顶级多媒体手机，N95配备了2.6英寸、1670万色TFT显示屏，240×320的分辨率为用户带来绝佳的视觉效果。机身上还搭载了卡尔·蔡司认证的500万像素镜头，加上专业的拍摄模式，已经超出不少低端DC的成像质量。N95采用的是主频为322MHz的ARM11处理器Symbian 9.3S60 3.1版系统的表现已经足够流畅。N95的GPS功能有着Symbian独特的风格操作非常简单，虽然显示屏不算很大，但检索丰富路线规划也极为细致。而本身它所选择的导航软件和地图资源也相当丰富，为N95的全方位应用起到了画龙点睛的作用。
诺基亚6110 NaVigator
诺基亚6110N是一款专门为大众设计的GPS手机，它采用了时下流行的滑盖造型，机身面板和按键都比较宽大保证了良好的操作手感。机器搭载了一块2.2英寸1600万色TFT显示屏，对于一款GPS手机来说屏幕似乎小了一点，不过诺基亚在显示屏四边中点上做出了标示，这样人性化的细节令人称道。6110N采用了Symbian9.2操作系统和S60第三版FPI软件平台，处理器主频达到369MHz。机身内置有200万像素摄像头，并有闪光灯的辅助，和5700一样能够提供360度全景功能。虽然6110N机身纤小，不过却全面地整合了GPS和AGPS功能，在Symbian系统下操作简单快捷搜索卫星和定位的表现都一丝不苟，其低廉的价格更是吸引了不少年轻人也加放到定位导航的乐趣当中来。
Mio A701
Mio A701的外形有着流畅的线条。硬件方面，A701搭载了一块2 7英寸TFT显示屏分辨率达到320×240。在实际的操作当中，这款显示屏表现出了极为出色的效果，播放视频和进行GPS导航时显示清晰流畅对于Windows Moblie 5.0操作系统的发挥也有着很大帮助。A701采用的是520MHz的IntelXScale PXA270处理器48MB的程序运行空间加上支持热插拔的SD卡扩容，各种软件的运行都游刃有余。GPS卫星导航功能更是不在话下，电子地图采用的是Mio自己开发的地图软件，能够提供商场、酒店、娱乐、旅游、停车场，加油站等18项分类搜索以及全程真人语音导航，功能强大而专业。
Mio A501
A501是M10最新推出的GPS导航手机产品，方方正正的机身沉稳大气。机身正面一块2.7英寸显示屏占据了大部分位置，用户除了通过屏幕下方的几颗按键进行操控外，还能直接在显示屏上进行触控操作。A501使用Windows Mobile 5系统内存为1GB ROM和64MB RAM的组合，同时用户还能够通过SD卡进行扩充。其搭载了一颗200万像素摄像头使得用户在商务处理之余，娱乐需要也能够得到一定的满足。作为A501卖点的GPS导航功能，用户可以通过机身正面的快捷键进行直接调用SlRFstarⅢ芯片在卫星搜寻和导航方面非常稳定，MioMap V3软件有2D和3D两种模式供用户选择，就算是入门级用户，也能够方便快捷地享受定位导航的快乐。
明基西门子P51
P51是一款搭载了QWERTY全键盘的智能手机。它采用了一块2.8英寸纵向QVGA分辨率的显示屏使得机身看起来瘦长用户握在手里会有非常平衡的感觉。P51采用WindowsMobile 5.0操作系统，支持EDGE网络，Wi-Fi连接以及VoIP功能，同时双128MB内存很好地保证了系统和软件运行的稳定性。其内置的GPS全球卫星定位模块有着很快的反应速度。得益于QWERTY全键盘的设计，P51的操作非常方便。在P51推出之后，不少欧洲媒体更是将其形容为Treo杀手，足可见P51不凡的实力。
夏新E860
E860是夏新目前智能手机方面的中流砥柱，虽然造型看上去中规中矩，但板材采用了新型材质完全改变了工程塑料高贵不足的缺点，特别是正面面板采用了仿皮革材料，给用户以美妙的触感。E860的厚度控制在了15.8mm，小巧轻便的机身上却搭载了一块2.8英寸的26万色TFT显示屏分辨率为目前主流的QVGA等级，同时机器还内置了颗200万像素的镜头，最大可支持拍摄1600×1200像素的静态照片。E860采用Rtel Xscale系列处理器，主频为312MHz，搭载了微软成熟稳定的Windows Mobile 5.0操作系统。在智能手机的应用之外，还内置有GPS接收芯片及天行者5.0导航软件。E860在设置方面非常符合国人的操作习惯同时更有着低廉的价格，在市场上很有竞争力。
华硕P526
P526尚未全面上市就已经赢得了不少奖项，这也让我们对
这款机型充满了期待。其硬朗的机身线条，完全忽略了现在轻薄机器的潮流，显得质感强烈霸气十足。机身按键方方正正键面宽大虽然取消了导航键，却反而烘托出机身右侧异常便捷的JogDial“万用转轮键”，这也成为了整部机器的一个小小亮点。P526采用了全新的Windows Mobile 6.0操作系统，200MHz主频的德州仪器TI OMAP 850处理器和64MB RAM/128MB ROM的内存组合能够让机器流畅运行，2.6英寸、65536色TFT显示屏支持手写输入，200万像素摄像头也能满足简单的拍摄需要。在GPS功能方面，P526内置了SiRF STAR第三代GPS信号接收模块，搜星速度快，定位准确，对地图的支持也非常完善无论是驾车还是徒步出行，都能够带来出色的导航服务。
多普达P800
作为多普达的一款旗舰产品，P800一上市就引起了人们的关注。它采用直立式的机身造型，配备了2.8英寸的屏幕。P800导航键的设计也别出心裁，采用了轨迹球加导向转轮，操作起来方便快捷。108mm×58mm×16.8mm的机身尺寸和128g的体重在智能手机当中可算是小巧型的携带十分方便。P800内置了一颗200万像素CMOS摄像头，支持数码变焦。它采用Windows Mobile 5.0操作系统，CPU是主频200MHZ的TI OMAP850处理器，内建1 28MB ROM／64MB SDRAM内存支持TF卡扩展。该机最大特点在于融入了GPS导航功能，SiRF StarⅢ芯片保证了信号的接收。此外P800还支持蓝牙无线传输支持办公室商务软件Word、PowerPoint、Exce、TXT支持PDF浏览等。
HTC Advantage X7500(多普达u1000)
虽然X7500并没有正式在中国内地上市销售，但这并不妨碍我们来认识一下这款堪称当今最强的PDA手机。在巴塞罗那的3GSM世界大会上，HTC推出的X7500将智能手机和超便携笔记本电脑的界限模糊化。X7500和一般的笔记本电脑设计无异翻开分体式的键盘后，便可看见它那夸张的5英寸VGA触摸屏幕。让人惊叹的是它还具有300万像素的摄像头供3G视频对话使用的VGA摄像头、蓝牙2.0连接，TV输出以及具备TomTom Navigator 6导航软件的整合式GPS卫星导航功能。内存方面它还拥有8GB硬盘容量及aiRISD卡扩展插槽电池寿命也达到了8小时左右。
中兴ZTE E700
E700是中兴在今年推出的一款面向高端商务用户的机型，造型有着PPC手机的传统风格，黑白两色的经典搭配为机器带来一丝清新时尚，同时黑色的显示屏区域又让机身整体看起来成熟稳重。2.8英寸显示屏采用320×240的分辨率，画面清晰流畅。E700是一款采用Linux系统的智能手机，支持对Office文档进行处理，多媒体娱乐和网络连接都一应俱全。而在作为卖点的GPS功能方面，它采用了真SIRF第三代导航芯片，内置全新凯立德专业电子地图，包含全国2800个城市和400，5生活设施信息点，用户能够即时定位，并进行智能查找。E700还配备了精准识别的语音导航功能，可直接指引旅途当中商场酒店、办公大楼等各类公共设施。
黑莓8310
加拿大RIM公司经过了8年的努力，终于在今年7月底取得了在中国的销售许可而旗下的8310在8月底上市销售，成为了不少高端商务人士选择的目标。目前国内市场上有不少BlackBerry风格的机型但原汁原味的8310仍然有着独特的造型风格，黑色的主色调搭配上银色的显示屏边框和导航键在沉稳当中透出一丝清新时尚。8310定位中端采用一块65536色CSTN显示屏，横向320×240像素的分辨率保证了宽阔的视野。它内置的是Intel PXA901处理器，QWERTY全键盘也已经是黑莓的标志。在基本的商务应用功能之外，8310有着出色的网络兼容和设备扩展能力 并且它在前作8300的基础上增加了GPS功能，为用户带来了一整套的商务解决方案。
支持微软Windows Mobile操作系统的GPS导航软件
手机作为GPs导航的硬件十分重要，但是软件方面也是必不可少的，手机只有GPs并不能导航，只有安装了好用的软件才能真正实现导航，这里我们为大家简单介绍一下两大智能手机操作系统上的GPs导航软件。
采用微软Windows Mobile操作系统的GPS智能手机种类最多，而软件也是最丰富的。Windows Mobile操作系统的前身是1 996年推出的Windows CE。2000年第二季度，微软Windows CE正式脱离对Palm的依赖，更名为WindowsPocket PC(PPC)。到了2003年，微软又开发了Pocket PhoneEdition和wIndows Powered Smart Phone操作系统，而这两者的融合，才是严格意义上的Windows Mobile智能移动终端操作系统。目前手持设备上基于Windows Mobile的GPS解决方案是最多的了，既有PDA式的整体解决方案，例如MioA701多普达的P800等，也有专业的PND(个人导航设备)产品如宇达电通Mio C720。基于Windows Mobile操作系统的GPS导航软件种类最多，升级和服务也相当方便。目前主流的有灵图，凯立德道道通、ROUTE 66等，下面我们就以灵图6.0作为例子，为大家介绍一下。
灵图天行者是一套适合在掌上电脑上安装的自导航软件，它以大比例尺的城市导航地图为展示平台根据用户指定的起点，终点智能设计出最佳行车路线，并提供实时的语音提示导航功能。
目前灵图软件可以方便地在电子市场中买到，在一些GPS导航设备中也都预装了这款软件。今年，灵图推出了天行者6导航软件这款软件相比以前的版本，在各方面都登上了一个新的台阶不仅导航速度大为提高，并且以前被用户所诟病的一些问题都有了一定的改进在性能、功能，用户界面等多方面进行了大量的改进和优化。
灵图天行者的地图做得十分出色，道路设置也比较及时、丰富，包含了300多个城市的详细地图，对于重点城市地图的更新比较及时。
天行者6的导航功能可以说是非常的强大，语音提示及时明确，并可显示距离目的地距离，预计剩余时间，当前道路名称等导航信息。其还支持GPS用户自有轨迹导航，用户可以自行记录信息点，并对信息点设定提醒内容，比如你可以把有测速拍照的地方记录下来，当你靠近此信息点时，系统会自动播放你所设定的提醒内容。在天行者6中还增加了许多人性化的功能如路口扩大功能，当导航到岔路口、环岛、立交桥等复杂路段时，系统会自动进行扩大提示，以避免走错路线。在具有手机功能的PDA上使用时，还可以给同样使用天行者的PDA手机发送包含你当前
所在地信息的短信，对方收到后即可直接设为目的地，对于你保存的地址簿还可以方便地导入导出。
天行者软件内包含了丰富的设施点信息，有十几个大类，上百个子类，共计超过200万个设施点的信息，涵盖了大部分的公共设施等常用设施的位置信息。地址簿使用方便，尤其是可以单独设定回家或回单位两个位置点进行快速导航。
灵图天行者可以在多种平台上使用，目前支持PCUMPC、PDA智能手机(Windows mobile)、MP4(Windowsmobile)等多种终端。天行者PDA版本的软件对运行环境有一定的要求，不过目前市场中的主流设备大多可以使用。
支持诺基亚Symbian S60操作系统的GPS导航软件
全球智能手机用户数量最多的智能手机平台就是Symbian。Symbian是诺基亚、摩托罗拉西门子等手机制造商共同出资组建的一家专门从事手机操作系统的研发单位。Symbian操作系统是目前市面上最具代表性的一款，该操作系统以占用资源小，对硬件要求低第三方软件支持广泛等优势成为目前智能手机市场上应用最为广泛的产品。Symbian操作系统还主要包括S60、UIQ等几个分支。目前来说，支持Symbian S60操作系统的GPS导航软件其实并不是很多，现在最好用的GPS导航软件当属专为诺基亚手机开发的ROUTE 66。下面我们就来介绍一下这款软件。
ROUTE 66是一家专攻个人移动导航系统的软件公司，其产品和服务行销亚洲，西欧以及北美市场。目前ROUTE66主推的是S60版本的导航软件，并大多与诺基亚的导航模块搭配销售。不过近期ROUTE 66已经推出了PPC版本的导航软件。
目前的ROUTE 66使用的国内地图是地质出版社出版的地图，地图的数据基本满足、大中城市使用的需求信息很详细，只是一些乡间小路及偏远的小地方没有涉及。ROUTE 66除了可以在国内使用外，只要你拥有国外的地图数据，你也可以用它到国外进行导航。
ROUTE 66支持多种语言的语音报读，其中包括英语、普通话、广东话和台湾话等语言，当选择语音后，界面的文字也会有相应的变化。
ROUTE 66的地图界面设计得十分有特色，也非常的好看，除了色彩丰富、信息易于辨认之外，规划好的路径还会根据路程的变化自动进行缩放。
路径规划和导航功能是ROUTE 66非常出色的地方，导航系统有很多富有创意的功能。在路径规划的时候，ROUTE66可以进行跨地区查找，并且显示的结果信息十分丰富。在导航的时候，ROUTE 66可以向用户提供详尽的车道信息，帮助驾驶者在复杂的道路上选择最佳的车道，到路口时，还可以显示出道路的分道情况。
地图的画面可以随车速的快慢而自行变大变小，画面上的指示也比较多，有行驶路名、前方要进人的路名、公里数到达目的地的大概时间所走路途的用时。当遇到前方转弯有多个路口时还有箭头区分，进入十字路口时可以显示红绿灯等。不足之处是所走道路周边的设施没有名字显示。ROUTE 66的语音提示洪亮清晰比较及时。当你走错路时，ROUTE 66能在最短的时间内重新计算出新道路的路径。
ROUTE 66的兴趣点设置得比较完善，基本数据做得很全面，为用户提供了大量实用的兴趣点当你进行兴趣点查询时，连目的地的电话等信息都有提供。另外，ROUTE 66的收藏夹功能也比较强大，像“回家”“回到公司”等收藏功能也一个都不少。
目前ROUTE 66在国内市场销售的主要是S60和PPC两个版本，另外还有带蓝牙GPS模块的套装可供选择。软件的体积相对其他软件来说算是小的，主流的S60和PPC机型都可以轻松支持。另外，对于S60第三版和VGA屏幕的PPC，ROUTE 66的软件也都可以支持。
其他非GPS智能手机的导航方案
看了前面介绍的GPS手机，可能很多人都心痒痒了，但是眼前我们可能已经拥有了一个很好的智能手机，只不过没有内置GPS芯片而已。那么，这样的手机就不能使用GPS导航了吗?答案是否定的，其实只要你的智能手机支持蓝牙功能和大容量存储，基本上就可以搞定GPS导航了。蓝牙功能是为了手机连接外置式的蓝牙GPS模块，大容量存储则是为了存储你的地图资料。
在地图方面，其实智能手机的应用方法是相同的，不管你是Windows Mobile系统还是Symbiar S60操作系统，地图的使用是和前面完全一样的，不同的是你要为你的智能手机选择一个好的蓝牙GPS模块作为搭档。下面我们就介绍两款蓝牙GPS模块。
诺基亚LD-3W蓝牙卫星接收器
诺基亚推出的蓝牙GPS接收器LD-3W是LD-1W的升级版本。LD-3W的定位精度可达5米，支持路径规划和语音导航能和多款导航软件配合使用，并且和诺基亚S60平台的手机兼容。LD-3W采用了蓝牙2.0版本，可支持15小时连续使用。只要你拥有一部诺基WS60的蓝牙手机，那么加上它，你就可以进行车载导航了。
丽台9559X GSS蕊牙卫星接收器
9559X是丽台科技(LEADTEK)推出的一款小巧的GPS卫星接收器，专门为随身携带手机PDA或笔记本电脑等数码产品的商务用户而设计。在性能上，9559X内置SiRFstarⅢ超高效能芯片，在灵敏度提升和耗电量控制方面较之以前的产品都有了明显的改进，热开机定位仅需1秒，并且能够很好地避免周围环境对定位感应的影响。9559X最多可以接收20颗定位卫星信号这足以为用户提供最佳的定位导航，想漏都漏不掉。在易用性和兼容性方面，9559X也非常的方便。它能提供最长11小时的使用时间并且可以用诺基亚的BL-5C电池来兼容供电。
Linux和Palm系统智能手机的导航方案
智能轮椅GPS定位导航系统设计 篇4
关键词：智能轮椅,安卓系统,高德地图,全球定位系统,定位导航
0 引言
轮椅作为一项代步工具自面世以来一直扮演着服务老弱病残认识的重要角色,为腿脚不便的人士提供了许多方便。人工智能技术与机器人技术在近几年迅猛发展,使得传统机械轮椅将被智能轮椅逐步替代。智能轮椅不同于传统软椅的是用智能化的操作方式代替了人工手动实现了对轮椅的控制,并能实现多模态操作。除了传统的手柄操作轮椅的方式以外,加入了键盘按键操作,语音操作,自主控制等多种控制方式并能在多种控制方式之间切换。
智能轮椅导航技术是智能轮椅研究的热点。通过智能轮椅导航技术可以为使用者的出行提供方便,特别是在服务于一些年长的老人时,当使用者独自出行到自己不熟悉道路的地域时,智能轮椅上的GPS导航终端可以令使用者准确认识自己现在所处的位置。并能通过简单的操作,使GPS终端为使用者规划出回家的运行路径,避免用户出门在外迷路的风险。
具有半自主导航功能的智能轮椅能通过轮椅自带的传感器,识别行进环境,按照标示线行走。而后针对“go to goal”的问题提出了一系列运行策略使使用者可以在人机通信界面上标出目标点,智能轮椅可以完成运行路径的规划与行进指令提示[1]。而未来智能轮椅导航应该向基于网络的云计算系统发展。通过网络后台的服务器完成对数据的处理,以实现路况信息的实时显示,以及地图的实时更新,从而实现更加人性化和智能化的导航。
本文对智能轮椅上的GPS导航终端进行了设计开发。首先搭建了该终端硬件系统,并利用高德地图LBS开发平台设计了软件系统并阐述了主要的功能模块,最后给出了系统运行的结果。
1 系统软硬件结构
选用一款具有多模态操作的智能轮椅,该轮椅除了传统的手柄操作轮椅的方式以外,加入了键盘按键操作,语音操作,自主控制等多种控制方式并能在多种控制方式之间切换,同时引入了避障模块可以实现轮椅运行过程中的自主避障。通过连接轮椅自带的直流电源,并设计了24 V转5 V转换电路为该终端供电。
1.1 系统硬件结构
采用三星S5PV210为主控核心,这是一款基于ARM Cortex⁃A8内核的高性能高集成度处理器。该芯片被广泛用于平板电脑和上网本。由于其出色的处理性能,因此选其作为操作系统的CPU。
使用GTS⁃4E GPS接收模块,这是一款基于高集成度48通道SIRF⁃IV芯片超高灵敏度GPS接收模块。具有高信号捕捉能力,抗干扰能力强,低功耗等优点。
该GPS接收机的硬件一般执行五个步骤进而实现数据解调与路径延迟测量。这五个步骤是射频下变频、信号捕获、数据解调、数据时钟恢复、卫星时钟复制和测量发射一接收时间信息[2]。GPS接收机的工作原理如图1所示。
本设计中的时间差异计算是由Android操作系统完成的。采用多通道GPS接收机可以使设备在同一时刻接收多颗卫星信号,并能实现对多颗卫星的多普勒跟踪,因此可以实现快速定位。由于射频电路对温度特别敏感,在布线时有意远离PCB板上的发热元器件。将接收器数字部分朝向PCB板数字部分,以减少底板其他电路对射频电路的干扰。本设计采用有源天线,并且尽可能地减少连接天线线材长度以达到减少信号干扰的目的。
为了确定轮椅的运行姿态,引入了加速度传感器、陀螺仪、磁力传感器。并通过软件算法能准确地得出轮椅的加速度、速度、前进方向等姿态信息。
将S5PV210核心板焊接在20 cm×15 cm的底板上。通过底板上的布线连接GPS模块、电容屏、电池盒、开关等部件。图2为智能轮椅GPS终端硬件系统结构框图。
1.2 系统软件结构
本设计采用Android 4.0嵌入式操作系统。Android平台是在Linux内核的基础上发展起来的,用于支持系统的底层服务[3]。Android自身集成丰富的API,并且大部分代码开源。Android的应用框架采用结构化设计简化了组件之间的重复使用,从而简化了应用程序的开发[4]。
高德Android定位SDK为使用者提供了LBS定位功能,开发者可以通过相应代码实现应用程序的定位功能。该SDK可以实现全球定位以及多种设备下的混合定位包括Wi Fi定位,基站定位,GPS定位。对于使用者的使用环境高德Android定位SDK能够自主进行选择,以更快的响应速度以及更低的耗电量实现精确定位功能。图3为智能轮椅GPS终端软件系统结构框图。
2 主要功能模块
2.1 轮椅定位功能实现
Android SDK是进行编程使用的软件开发工具包。本设计用高德地图提供的Android SDK为实现定位导航相关功能提供开发调用接口。在申请完API KEY和在文件Android Manifest.xml中添加权限以结束对工程的配置。程序在实现定位操作时,首先发送定位请求并注册监听,期间定位程序会根据实际情况智能判断定位的方式。通过类Location Manager Proxy实现相关定位功能,首先程序会发送定位请求,然后进行定位回调,定义对象AMap Location用于接收返回位置信息。通过位置信息对象AMap Location可获取定位点的坐标、定位半径、定位速度(get Speed())、定位方向(get Bearing())等信息。定位流程图如图4所示。实现定位功能的部分关键代码如下:
2.2 轮椅姿态判定
在硬件端引入加速度传感器、磁力传感器。通过处理传感器提供的各种数据,并在软件端实施计算,从而能计算出轮椅的运行姿态,包括轮椅运动正前方,轮椅的运行加速度和速度。Android采用Open GL ES坐标系统,加速度传感器是反应x轴、y轴、z轴受到地心引力的情况[5]。而磁力传感器是用来检测设备周围磁场强度的一种传感器。其原理是通过霍尔效应将磁场的变化转化为电压输出的一种方式[6]。通过处理加速度传感器与磁力传感器的数据可以计算出设备目前所处的东、南、西、北方位。
使用Sensor Manager组件的get Orientation()函数来判断方位。首先是在Activity的on Resume函数中获取加速度和磁力传感器,并注册获得数据。当传感器检测到数据更新时,再由on Sensor Changed函数存储获取的数据,并存入相应的数组里。然后通过check Orientation计算出方位信息。最后通过在导航地图中加入一个指南针控件,可以绘制出一个指南针图形,并映射在定位的坐标点上以指示出轮椅的运动方向。部分关键代码如下:
2.3 轮椅路径规划功能实现
本设计用高德地图提供的Android SDK为实现路径规划相关功能提供开发调用接口。
轮椅移动的路径规划是使用类Route Search中的calculate Drive Route Asyn(Drive Route Query query)方法对起点和终点间的路径进行规划计算。在Route⁃Search.On Route Search Listener接口回调方法void on⁃Drive Route Searched(Drive Route Result drive Route Result,int r Code)处理驾车路径规划结果。并使用Drivin⁃g Route Overlay画出包括起点和终点在内的路线图层。路径规划流程图如图5所示,部分关键代码如下:
3 系统运行结果
将设备调试好后安装于智能轮椅上。利用GPS天线上的磁铁可以将天线固定在轮椅扶手上以达到良好的信号接收效果。将轮椅置于室外开阔地以确保卫星信号的正常接收。打开定位程序等待数秒后可以实现轮椅的定位功能如图6所示。
将轮椅的朝向改变,可以发现地图中所定位图标的指向也发生改变,如图7所示。在设定起点终点后,系统能绘制出起点到终点之间的规划路径,如图8所示。经过反复测试,该智能轮椅GPS终端对于卫星信号接收良好,定位精度较高,能满足在开阔路面情况下使用者对于智能轮椅定位导航的要求。
4 结语
本设计借助Android嵌入式系统并利用国内普及的高德GPS定位服务实现了对智能轮椅的定位和导航功能。使用者可以在图形界面下设定目的地。系统可以规划出当前位置与目的地之间的最佳路径,并提供路径提示。由于智能轮椅面对的是特殊的服务对象,在服务于年长不识路的老人时,定位导航功能的加入可以为使用者提供方便。
参考文献
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GPS导航定位技术 篇5
（1993年7月2日第八届全国人民代表大会常务委员会第二次会议通过）
第一章 总则
第一条 为了促进科学技术进步，在社会主义现代化建设中优先发展科学技术，发 挥科学技术第一生产力的作用，推动科学技术为经济建设服务，根据宪法，制定本法。
第二条 国家实行经济建设和社会发展依靠科学技术，科学技术工作面向经济建 设和社会发展的基本方针。
第三条 国家保障科学研究的自由，鼓励科学探索和技术创新，使科学技术达到世 界先进水平。
国家和全社会尊重知识、尊重人才，尊重科学工作者的创造性劳动，保护知识产权。第四条 国家根据科学技术进步和社会主义市场经济的需要，改革和完善科学技 术体制，建立科学技术与经济有效结合的机制。
第五条 国家鼓励科学研究和技术开发，推广应用科学技术成果，改造传统产业，发展高技术产业，以及应用科学技术为经济建设和社会发展服务的活动。
第六条 国家普及科学技术知识，提高全体公民的科学文化水平。
国家鼓励机关、企业事业组织、社会团体和公民参与和支持科学技术进步活动。第七条 国务院制定科学技术发展规划，确定科学技术的重大项目、与科学技术密 切相关的重大项目，保障科学技术进步与经济建设和社会发展相协调。
制定科学技术发展规划和重大政策，确定科学技术的重大项目、与科学技术密切相 关的重大项目，应当充分听取科学技术工作者的意见，实行科学决策的原则。
第八条 国务院科学技术行政部门，负责全国科学技术工作的宏观管理和统筹协 调。国务院其他有关行政部门，依照国务院规定的职责范围负责有关的科学技术进步 工作。
地方各级人民政府应当采取有效措施，推进科学技术进步。国家帮助少数民族地区、边远贫困地区加速发展科学技术事业。
第九条 中华人民共和国政府积极发展同外国政府、国际组织之间的科学技术合 作与交流，鼓励研究开发机构、高等院校、社会团体和科学技术工作者与国外科学技术 界建立多种形式的合作关系。
第二章 科学技术与经济建设和社会发展
第十条 国家鼓励研究开发新技术、新产品、新材料、新工艺，开展合理化建议、技 术改进和技术协作活动，不断提高产品质量，提高劳动生产率和经济效益，发展社会生 产力。
第十一条 国家选择对经济建设具有重大意义的项目，组织科学研究和技术开发，加速科学技术成果在生产领域中的推广应用。
第十二条 国家建立和发展技术市场，推动科学技术成果的商品化。技术贸易活 动应当遵循自愿平等、互利有偿和诚实信用的原则。
第十三条 国家依靠科学技术进步，推动经济建设和社会发展，控制人口增长，提 高人口素质，合理开发和利用资源，防御自然灾害，保护生活环境和生态环境。
第十四条 国家依靠科学技术进步，振兴农村经济，促进农业科学技术成果的推广 应用，发展高产、优质、高效的现代化农业。
第十五条 县级以上地方各级人民政府应当采取措施，保障农业科学技术研究开 发机构和示范推广机构有权自主管理和使用试验基地和生产资料，进行农业新品种、新 技术的研究开发、试验和推广。
农业科学技术成果的应用和推广，依照有关法律的规定实行有偿服务或者无偿服 务。
第十六条 地方各级人民政府应当鼓励和支持农村群众性科学技术组织的发展，对种植业、林业、畜牧业、渔业等各业提供产前、产中、产后综合配套的社会化科学技术 服务。
第十七条 国家依靠科学技术进步，发展工业、交通运输、邮电通信、地质勘查、建 筑安装和商业等行业，提高经济效益和社会效益。
第十八条 国家鼓励企业建立和完善技术开发机构，鼓励企业与研究开发机构、高 等院校联合和协作，增强研究开发、中间试验和工业性试验能力。
第十九条
企业应当根据国际、国内市场的需求，进行技术改造和设备更新，提高 科学管理水平，吸收和开发新技术，增强市场竞争能力。
企业进行技术改造和从国外引进先进技术和设备应当经过咨询论证，贯彻国家的 产业政策和技术政策。
企业采用新技术开发生产新产品的，可以依照国家的规定享受优惠待遇。第二十条 国家依靠科学技术进步，发展国防科学技术事业，促进国防现代化建 设，增强国防实力。
第二十一条 国家鼓励运用先进的科学技术，促进教育、文化、卫生、体育等各项事 业的发展。
第三章 高技术研究和高技术产业
第二十二条 国家推进高技术的研究，发挥高技术在科学技术进步中的先导作用； 扶持、促进高技术产业的形成和发展，运用高技术改造传统产业，发挥高技术产业在经 济建设中的作用。
第二十三条 国务院科学技术行政部门和其他有关行政部门，在全国范围内组织 科学技术力量实施高技术研究，推广高技术研究成果。
第二十四条 经国务院批准，选择具备条件的地区建立高新技术产业开发区。第二十五条 对在高新技术产业开发区和高新技术产业开发区外从事高技术产品开发、生产的企业和研究开发机构，实行国家规定的优惠政策，具体办法由国务院规定。
第二十六条 国家鼓励和引导从事高技术产品开发、生产和经营的企业建立符合 国际规范的管理制度，生产符合国际标准的高技术产品，参与国际市场竞争，推进高技 术产业的国际化。
第四章 基础研究和应用基础研究
第二十七条
国家保障基础研究和应用基础研究持续、稳定的发展，加强科学技术 进步的基础。
基础研究和应用基础研究经费在研究开发经费总额中应当占有适当比例。第二十八条 国务院科学技术行政部门对学科前沿和经济、社会发展中的重大基 础性科学研究课题，应当有计划地组织实施。
研究开发机构、高等院校及其他企业事业组织和公民可以自主选择课题，从事基础 研究和应用基础研究。
第二十九条 国家建立自然科学基金，按照专家评议、择优支持的原则，资助基础 研究和应用基础研究。
国家支持优秀青年的科学研究活动，在自然科学基金中设立青年科学基金。第三十条 国家支持重点实验室的建设，建立基础研究和应用基础研究基地。国家的重点实验室向国内外开放。
第五章 研究开发机构
第三十一条 国家根据经济建设和科学技术进步的需要，统筹规划和指导科学技 术研究开发机构的布局，建立现代化的科学技术研究开发体系。
第三十二条 国家对从事基础研究和应用基础研究、高技术研究、重大工程建设项 目研究、重大科学技术攻关项目研究、重点社会公益性科学技术研究的研究开发构和 高等院校，在经费、实验手段等方面给予支持。
第三十三条 国家鼓励和引导从事技术开发的研究开发机构单独或者与企业事业 组织联合开发技术成果，实行技术、工业、贸易或者技术、农业、贸易一体化经营。
国家鼓励和引导科学技术咨询、科学技术信息服务和社会公益性的研究开发机构，逐步实行企业化经营或者有偿服务。
第三十四条 研究开发机构实行院长或者所长负责制。
研究开发机构依照国家有关规定享有研究开发、生产经营、经费使用、机构设置、人 员聘用等方面的自主权。
第三十五条 国家鼓励社会力量自行创办研究开发机构，保障其合法权益不受侵 犯。
第三十六条 研究开发机构可以依法在国外投资，设立分支机构。
国外组织和个人可以在中国境内依法设立研究开发机构，也可以与中国的研究开 发机构或者其他组织举办中外合资、中外合作研究开发机构。
第六章 科学技术工作者
第三十七条 科学技术工作者是社会主义现代化建设事业的重要力量。国家采取 各种措施，提高科学技术工作者的社会地位，通过各种途径，培养和造就各种专门的科 学技术人才，创造有利环境和条件，充分发挥科学技术工作者的作用。
第三十八条 各级人民政府和企业事业组织应当采取措施，逐步提高科学技术工 作者的待遇，改善其工作条件和生活条件；对有突出贡献的科学技术工作者应当给予优 厚待遇。
第三十九条 各级人民政府和企业事业组织应当为科学技术工作者的合理流动创 造环境和条件，发挥其专长。
第四十条 对从事基础研究和应用基础研究、高技术研究、重大工程建设项目研 究、重大科学技术攻关项目研究和重点社会公益性科学技术研究以及在农村贫困地区、少数民族地区和恶劣、危险环境中工作的科学技术工作者，依照国家规定给予补贴。
第四十一条 国家实行专业技术职称制度。科学技术工作者可以根据其学术水平、业务能力和工作实绩，取得相应的职称。
第四十二条 科学技术工作者有依法创办或者参加科学技术社会团体的权利。科学技术社会团体应当在推进学科建设、普及科学技术知识、培养专门人才、开展 咨询服务、促进学术交流、维护科学技术工作者的合法权益等方面，发挥积极作用。
第四十三条 国家鼓励在国外的科学技术工作者回国参加社会主义现代化建设，或者以其他形式为国家建设服务。
第四十四条 科学技术工作者应当遵守职业道德，完成本职工作，努力提高自身的 科学技术水平。
第七章 科学技术进步的保障措施
第四十五条
国家逐步提高科学技术经费投入的总体水平。全国研究开发经费应 当占国民生产总值适当的比例，并逐步提高，同科学技术、经济、社会发展相适应。全国 研究开发经费占国民生产总值的具体比例，由国务院予以规定。
国家财政用于科学技术的经费的增长幅度，高于国家财政经常性收入的增长幅度。
任何单位和个人不得挪用、克扣、截留国家财政用于科学技术的经费。第四十六条 国家鼓励企业增加研究开发和技术创新的投入。企业的技术开发费 按实际发生额计入成本费用。
第四十七条 国有金融机构应当在信贷方面支持科学技术成果商品化。
第四十八条 从事技术开发的研究机构，可以按照国家有关规定采取多种形式向 社会筹集研究开发资金。
第四十九条 国家鼓励国内国外的组织或者个人设立各类科学基金，资助科学研 究和技术开发。
第五十条 国务院有关行政部门和地方各级人民政府应当采取措施，发展科学技 术信息交流，建立现代化的科学技术信息网络。
第五十一条 国家建立科学技术保密制度，保护涉及国家安全和利益的科学技术 秘密。国家严格控制珍贵的生物种质资源出境。
第八章 科学技术奖励
第五十二条 国家建立科学技术奖励制度，对于在科学技术进步活动中做出重要 贡献的公民、组织，给予奖励。
第五十三条 国家对为科学技术事业发展做出杰出贡献的公民，依法授予国家荣 誉称号。
第五十四条 国务院设立自然科学奖、技术发明奖、科学技术进步奖、国际科学技 术合作奖；必要时，可以设立其他科学技术奖。
自然科学奖授予在基础研究和应用基础研究中阐明自然现象、特征和规律，做出重 大科学发现的公民。
技术发明奖授予运用科学技术知识做出产品、工艺、材料及其系统等重大技术发明 的公民。
科学技术进步奖授予在应用推广先进科学技术成果，完成重大科学技术工程、计划 和项目，改进科学技术管理等项工作中有突出贡献的公民或者组织。
国家科学技术合作奖授予对中国科学技术事业做出重要贡献的外国公民或者组 织。
第五十五条 企业事业组织应当按照国家有关规定从实施科学技术成果新增留利 中提取一定比例，奖励完成技术成果的个人。
第五十六条 国内、国外的组织或者个人可以设立科学技术奖励基金，奖励在科学 技术进步活动中做出突出贡献的公民或者组织。
第九章 法律责任
第五十七条 违反国家财政制度、财务制度，挪用、克扣、截留国家财政用于科学技
术的经费的，由上级机关责令限期归还被挪用、克扣、截留的经费；情节严重的，由上级 机关或者所在单位对直接责任人员给予行政处分。
第五十八条 滥用职权，压制科学技术发明或者合理化建议，情节严重的，对直接 责任人员给予行政处分。
第五十九条 在新技术、新产品开发和科学技术成果申报中采取欺骗手段，获取优 惠待遇或者奖励的，取消其优惠待遇和奖励，并给予行政处罚或者行政处分。
参加科学技术成果鉴定的人员故意做出虚假鉴定的，由有关主管部门给予行政处分。第六十条 剽窃、篡改、假冒或者以其他方式侵害他人著作权、专利权、发明权和其 他科学技术成果权的，非法窃取技术秘密的，依照有关法律的规定处理。
第十章 附则
第六十一条 国务院科学技术行政部门和有关行政部门根据本法制实施办法，报 国务院批准施行。
对导航定位技术手段的反思 篇6
船舶驾驶人员，事先没有消除和测定罗经（电罗经、磁罗经）自差和计程仪改正率，确保船舶主要航海仪器的正常工作。出航后也没有利用天然或人工叠标以及天测手段测定罗经差（青岛港内外是有很多天然叠标可供测定罗经差）。由于罗经和计程仪存在着较大的误差，而我们的航海人员又不掌握，从而导致产生很大的推算误差。
过去，我们平时每隔半年到一年就要消除和测定一次罗经自差和计程仪改正率，执行重大或远航任务时，出航前还会安排检验性的补充测定。出港后还要利用叠标测定罗经误差；航行中每一个航向都要比对电、磁罗经，并登记在小黑板上（操舵部位专门配有小黑板）；远离海岸航行时，早晚还要天测罗经差。
另外，执行重大或远航任务的迎来送往，这也是常有的事，这时就要分清主次，明确分工。作为我们航海人员来说，主要的精力和时间要放在熟悉航线和收集有关资料上。过去远离海岸航行时，没有卫导，连老兰A也没有，主要就是推算和天文定位。出航前，我们往往把潮流图、海图和有关资料中流的数据进行分析比较，计算出沿线附近实时的流向、流速，用于准确推算。当白天测不到金星或月亮时，就测太阳单线：天体在航线左右时，可分析舰位偏左还是偏右；天体在航线前后方时，可分析船位是超前还是落后。
现在，导航定位技术手段越来越先进，诸如触礁、搁浅这样的航海事故越来越少（但远没有杜绝），我们的很多航海工作人员满足于卫导船位在海图上的圈圈点点，对罗经和计程仪等仪器的误差测定就不太重视了，天文定位也很少搞了，推算船位基本绝迹。任何一种现代化定位手段或者导航仪器，都离不开对电的依赖，也都会存在一定的系统误差和偶然误差。而磁罗经和天文定位，虽然原始和误差较大，但比较可靠。推算船位虽然不如陆标定位和卫导船位精确，但可以及时发现粗差，所以不久前，我还建议部队的航海人员，每测一个舰位均应有相应的推算舰位。
所以，我们现在研讨“跃进”号沉没，更应该吸取航海实践上的教训，即使当今导航定位技术手段越来越先进、导航仪器越来越精确，我们的航海人员也要确保航海仪器的正常工作，始终掌握其准确的误差；苦练航海基本功（推算、天测），确保在各种情况下有准确的船位，不使国家财产和人员生命受损失。
“跃进”号沉没事件后，国防科委投入了人力、物力和财力开始在中国沿海布局劳兰A基站、随着航海科技的进步发展到更精确的沿海定位系统劳兰C。再后来中国自己设计制造了电子管的雷达，航海终于有了基本的保障。但远远跟不上世界航海导航仪器的发展步伐。
改革开放后，中国航海事业才得到了长足发展，成为了造船大国和航海大国。从“跃进”号沉没联想到我们正在建设航海强国，需要几代人的努力。相信航海强国的“中国梦”会随着“北斗”导航卫星的完善，渐入佳境。
GPS导航定位技术 篇7
车载定位导航系统, 是利用现今普遍应用的全球定位系统 (GPS) 。车载定位导航系统配合地理信息系统GIS (Geographic Information System) 、城市电子地图 (City Electronic Ma) 及智能交通引导系统 (Intelligent Transport Routing System, 简称ITRS) 使用。结合各种现在智能化信息技术, 包括GPS卫星导航系统、数据通信系统、计算机、电子传感器以及软件开发技术等, 实现车辆自主定位[1]。车载定位导航系统能够为车辆等交通工具实时提供导航服务, 引导交通工具沿着安全、准确的既定路线, 准时、快捷地到达目的地。因此, 车载导航系统的开发对于社会发展与进步具有重要意义。
1、车载定位导航系统硬件设计
1.1 车载定位导航系统
车载定位导航系统由GPS接收机、车载计算机、车载控制单元、彩色液晶触摸屏四部分构成[2]。
车载定位导航系统整体硬件组成如图1所示。
其中, 通过通讯传输转换接口将GPS接收机与车载计算机相连接, 其硬件结构如图2所示。由GPS接收机接收到GPS信号, 再由通讯传输接口传递到车载计算机内, 车载计算机计算后将结果显示在车载显示单元。
1.2 接收机
GPS25LP接收机具有成本低、冷启动时间短等优点。因此, 本设计选用该接收机进行研究。GPS25LP的定位精度为10m, 满足民用导航需求。GPS25LP接收机采用5V直流稳压电源供电, 内置保护装置。同时具有RS232、TTL两种电平, 可自动输出NMEA 0183语句, 同时支持RTCM差分输入, 提供1PPS秒脉冲。
2、GPS接收机与PC机的连接设计
GPS25LP内置OEM拥有并行12个通道, 具有多个I/O接口, 能够同时跟踪12颗GPS导航卫星。具有的2个兼容RS-232的双向数字通道能同时传输标准的NMEA-0183数据[3]。根据其内部结构和外部接口, GPS25LP OEM板与PC机间串行通讯的典型应用方案如图3所示。
本设计中, 只需从GPS接收机中接收GPS信号数据, 而不需要发送数据。所以, 仅使用单通道即可。本设计采用的GPS接收机与车载计算机之间串行通讯的接口电路如图4所示。其中, GPS25LP OEM板需要稳定的直流5V电源, 标称工作电流为220m A (MAX350m A) 。
3、接收机与计算机间通讯的连接设计
3.1 车载定位导航系统功能及其实现途径
车载定位导航系统包含数据引导、模拟显示、智能查询、路径计算、保存路径等多个功能。其中, 最重要也是最核心的为路径计算功能。因此, 本设计对路径计算并寻出最优路径功能做具体研究设计。
现阶段, 车载导航系统设计中, 通常采用地图匹配技术与地理信息系统、多媒体技术有机结合, 使得定位信息更加准确、逼真[4]。
本设计中, 车载定位导航系统软件部分主要分为三部分:
(1) GPS数据的接收和处理:GPS接收机采集定位所需的经纬度信息、速度、时间等信息, 并将获取的信息通过串行接口传送至车载计算机, 车载定位导航系统分析采集的数据后即可准确获得用户实时位置。
(2) GPS和GIS (电子地图) 的数据通讯与集成:利用数据交换实现GPS和GIS的数据通讯, 并集成这两个不同系统内数据, 然后在电子地图背景下, 最后将导航定位信息实时显示出来。
(3) GPS信号与电子地图匹配:正常情况下, 车辆在行驶过程中不会脱离道路。因此, 利用原地图库内存储的道路数据, 结合GPS获取的定位结果, 按照一定算法将车辆定位结果强制性附合到道路上, 实现GPS信号与电子地图的匹配。
3.2 GPS接收机与车载计算机间的串行通讯
3.2.1 接收机的语言—NMEA接收输出语句
本设计中, GPS25LP OEM板采用NMEA 0183通信标准格式[5], 可输出多种句型。各句型均以字符“$”开头的ASCII码字符, 其内容包含了经纬度、速度、日期、时间、航向、卫星状况等多种信息。
3.2.2 串行通讯
利用Visual C++的MSComm通讯控件, 将GPS数据采集到车载计算机中。数据采集过程中, 每隔一秒钟接收一次卫星定位数据, 实现车载定位导航系统中GPS数据的实时显示。
程序设计中, 对串行口的操作包括:
串行口的初始化:设置串行口的端口, 8位数据位, 1位停止位, 无奇偶校验位, 波特率设为4800bps;
接收一帧ASCII码字符信息;
数据处理;
接收下一帧ASCII码字符信息;
数据处理;
如此循环往复。
在数据处理过程中, 针对需要的定位信息的要求, 设计了如下的串行通讯思想:
由于接收到的定位数据, 因此必须对接收到的数据进行过滤处理, 筛选获得有效信息。在本设计中, 将语句起始标志为“$GPRMC”的语句作为有效语句。因此, 判断“$GPRMC”成为过滤的一个条件, 将“$GPRMC”作为判断依据。
获得有效判断依据后, 定位语句起始标志为“$GPRMC”的定位语句中“$GPRMC”之后的59个字符为有效信息。因此, 以“59”作为判断定位语句完整的依据。
然而, 在实际数据接收时可能会有两种情况, 一种是单帧以“$GPRMC”开头的完整语句, 另一种是上一帧的后半部分再加下一帧的前一部分共同组成一个完整的以“$GPRMC”开头的定位语句。因此, 这两种请款必须区别对待。
基于以上通讯思想, 数据通讯程序流程图如图5所示。
3.2.3 数据截取
当接收到一帧完整语句并且起始标志为“$GPRMC”的定位语句时, 需要对该定位语句进行分段截取, 截取出需要的经纬度、速度以及时间等信息。通常, 接收到的数据是以“, ”的形式存储, 故直接查找“, ”位置对数据进行按位分段截取即可。
4、结论
车载定位导航系统利用现今普遍应用的全球定位系统, 配合地理信息系统、城市电子地图及智能交通引导系统, 对行进中的车辆实时定位与导航。现阶段, 车载定位导航系统的重要特点之一就是将GPS、GIS、多媒体计算机等技术有机结合。基于GPS定位的基本原理, 结合车载导航系统的实际应用, 本设计开发出一套硬件实施方案和软件程序, 成功地接收了GPS的定位数据, 车载计算机得以成功接收采集到的数据资源并显示出来。
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GPS导航定位技术 篇8
GPS定位系统的全天候、连续性等优点使其得到了广泛的推广和使用,但如果单独使用GPS定位,其定位精度易受到外界环境的影响,比如在高楼林立的城市,或者车辆通过隧道及立交桥时,信号将受影响甚至中断而无法定位,要得到连续可靠的定位信息就需要其他的辅助手段[1]。
目前,普遍采用的补偿手段是采用航迹推算DR,DR定位系统主要由定位传感器(陀螺仪、里程仪、加速度计等)组成,通过测量和记录任一时刻的车辆的位移量和移动方向,可计算出任一时刻车辆的位置,在短时间内能够保持较高的精度,且其有效性不受外界影响[2],但该方法需要车辆原始位置的输入,且存在距离累计误差,随着时间的增长,累积误差会越来越大,如果车辆长时间行驶在高楼林立的市区或通过一段较长隧道,GPS/DR组合的定位系统将不能产生令人满意的定位结果,不能进行正确的车辆导航。
地图匹配MM是一种基于软件技术的定位修正方法,将定位轨迹同高精度电子地图道路信息相比较,通过适当的匹配过程确定出车辆最可能的行驶路段及车辆在此路段中最可能的位置。MM应用基于以下假设[3]:用于匹配的数字化地图包含高精度的道路位置坐标;被定位车辆正在道路上行驶。随着计算机技术的发展,以数字化地图为基础的地理信息系统已成为陆地车辆导航系统的重要组成部分,具有较高精度的数字地图已经比较普及,并且,陆地车辆在除进入停车场等之外的绝大多数时间内都位于公路网络中,因此应用地图匹配技术的条件是满足的。在GPS/DR定位系统不能正常工作时,MM能够有效改善定位精度,消除部分累积误差。由于不增加硬件设施,GPS/DR/MM组合导航定位使低成本高精度的车辆导航成为可能。
本文将重点论述一种基于模糊逻辑的地图匹配算法的实现。
1 GPS/DR/MM组合导航定位系统模型建立
对于任何车辆导航与信息系统,其车辆的精确定位是基础,只有确知车辆在道路网络中的确切位置,才能对车辆进行有效的导航与路线选择,而车辆的精确定位取决于车载定位导航系统。因此,提高车载导航系统的定位精度及定位的可靠性成为研究的主要目标[4]。车载GPS/DR/MM组合导航系统就是利用GPS定位、航迹推算(DR)定位及地图匹配(MM)三者之间的信息综合和相互校正来提高定位精度和定位可靠性,其原理如图1所示。
GPS/DR/MM组合导航定位系统的数据处理过程如下:首先将DR传感器和GPS的测量数据经由滤波器处理,然后将滤波器输出的车辆位置估计
其中ωc∈[0,1]是匹配修正系数,我们可以根据地图匹配可信度评判来调整ωc的大小。设当前时刻的地图匹配可信度评判结果为μ(k),则取:
式中μmin是预定的最低可信度阈值,ωmax是最大匹配修正系数。这样,匹配结果的可信度越高,其在系统定位的输出中所占的比例越大,而当匹配可信度低于预定的阈值时,系统认为地图匹配的结果不可靠,不再用它来修正滤波器输出的车辆位置估计。
2 GPS/DR/MM组合导航定位系统实现原理
2.1 DR基本原理
车辆航迹推算(DR)方法是一种常用的自主式车辆定位技术,其推算原理是以地球表面某点作为当地坐标系的原点,利用里程计输出的距离信息和陀螺仪,输出的角度信息,计算确定车辆当前的位置。推算方程为[5]:
其中,X0、Y0为车辆初始时刻的位置,Si与θi为从Ti-1时刻到Ti时刻车辆行驶距离和航向角,原理如图2所示。
由于航迹推算法是一个累积的过程,因此,所有传感器的误差均会造成位置误差的积累。为了减少累积误差,采取卡尔曼滤波对传感器输出信号进行处理,抑制干扰和误差漂移。尽管航迹推算系统的定位会产生误差积累,但它属自主式车辆推算定位,当GPS接收机短时间不能正常接收到定位信号无法定位时,航位推算系统可继续定位工作,从而提高整个导航系统的可靠性。
但如果车辆长时间行驶在高楼林立的市区,GPS信号由于受到建筑物或树木的遮挡而使得GPS接收机不能收到有效的定位数据,将导致累积误差过大,GPS/DR组合的定位系统不能产生令人满意的定位结果,此时,采用地图匹配(MM)技术能够对航迹推算结果进行修正,提高系统定位精度[6]。
2.2 地图匹配算法(MM)实现
地图匹配的基本思想是通过车辆的GPS航迹与地图上矢量化的路段对象进行匹配,寻找车辆当前行驶的道路,并将车辆当前GPS定位点投影到道路上[7]。这样,提供了车辆在电子地图上显示的手段,使车辆不至于因为定位误差而在显示时偏离道路,提高了定位精度。
由于定位误差的存在,候选道路与定位信息之间并没有一种清晰的联系,系统往往得出“车辆很可能在某一道路上”这样的模糊结论。为得到精确的定位结果,必须对这种模糊性作出合理的评判[8]。
本文采用一种基于模糊逻辑的地图匹配算法,算法利用模糊逻辑评判规则来确定当前行驶道路,如定位点到路段的距离、GPS输出方向与道路方向的差值、是否具有连通性、是否是单行道等,并通过模糊推理得出结论。引入的规则不尽相同,主要依据候选道路与车辆轨迹的相似性和相关程度以及交通约束规则来定义。该算法比几何算法具有更好的鲁棒性,能从错误的定位中快速地恢复过来,并通过合理计算有效缩短了算法运行时间,使得地图匹配算法能够满足车辆导航实时性要求。
2.2.1 地图匹配可信度定义
匹配可信度的计算遵循以下三条规则:
规则1 若匹配路段的取向与当前的行车方向估计一致,则匹配路段是车辆当前行驶路段的可能性大。
规则2 若匹配路段接近于当前的传感器定位位置,则匹配路段是车辆当前行驶路段的可能性大。
规则3 若匹配路段的形状与最近一段时间的车辆定位轨迹相似程度高,则匹配路段是车辆当前行驶路段的可能性大。
也就是说,判断匹配路段是否正确的依据是其与定位轨迹之间的相似程度,而判断相似程度高低的依据主要有三个:方向的一致性、接近程度和形状的相似性。如果以匹配路段与车辆定位轨迹间的相似程度作为论域U,以匹配路段取向与行车方向估计的差值作为论域X,以匹配路段到定位轨迹间的距离作为论域Y,以匹配路段形状与定位轨迹的差异值作为论域Z,则U中的每个元素u就与X,Y,Z的笛卡尔乘积集:
中的元素(x,y,z)相对应。因此在对u进行综合评判时,因素集可以取为E=[x,y,z],评语集取为F=[好,差]。
(1) 匹配方向隶属度函数
设k时刻定位传感器的行车方向估计为
式中:
要评价匹配路段取向与行车方向估计的一致性,仅考虑单个时刻的Δθk值是不够的。为此定义最近一段时间内(n可选)匹配路段取向与行车方向估计的平均差值为:
以
即车辆行驶方向与匹配路段方向差值在一定时间间隔内的平均值大于60°时认为匹配结果差的隶属度为1,而差值为0°时认为匹配结果好的隶属度为1。
(2) 匹配位置隶属度函数
类似地,定义k时刻匹配位置与车辆定位位置的距离为:
仍以最近一段时间内的匹配位置与定位位置的平均距离作为评价匹配路段与定位轨迹接近程度的标准,令:
以
即如果车辆定位位置与匹配位置的差值在一定时间间隔内的平均大于30m,则认为匹配结果差的隶属度为1,相差为0时,则认为匹配结果好的隶属度为1。
(3) 匹配相似性隶属度函数
设k时刻和前一时刻的车辆定位位置估计分别为
式中:
根据航位推算原理,当前时刻k的车辆位置(xk,yk)可根据上一时刻的车辆位置(xk-1,yk-1)和行驶方向θk-1按下式推出:
式中dk-1,k是k-1到k时刻车辆所行驶的距离。如果取k时刻的匹配位置(xc,k,yc,k)为推算定位参考点,由下列公式可反推出前一时刻的参考位置:
当匹配路段形状与定位轨迹相似时,参考位置(x′c,k-1,y′c,k-1)应与k-1时刻的匹配位置(xc,k-1,yc,k-1)非常接近,由此定义k时刻匹配路段与定位轨迹间的参考距离为:
以最近一段时间内的平均参考位置距离作为评价匹配路段与定位轨迹相似程度的标准,令:
以
即,由当前位置推算出的前一时刻参考位置与匹配位置之间的差在一定时间间隔内的平均值小于20m,则认为匹配相似性好,否则认为匹配相似性差。
隶属度函数的选择并不是唯一的,门限值60°,30m,20m的选择取决于车辆定位导航系统的定位以及电子地图本身的精度。另外,隶属度函数也可以取为非线性函数,其分析方法是一致的。
2.2.2 地图匹配模糊综合评判
地图匹配模糊综合评判的具体步骤如下:
1) 首先对u进行单因素评价
根据定位数据和匹配结果分别计算因素x,y,z的值,并由此得到相应的单因素评价结果。
将以上模糊向量合在一起便得到表示因素集E与评语集F间关系的模糊矩阵:
R=[R
2) 确定权向量P
P=[p1,p2,p3],p1,p2,p3分别表示因素x,y,z在u中的重要程度,并且p1+p2+p3=1。
3) 作模糊变换Q
Q=P·R,所得模糊向量Q就是被评判对象u在评语集合F上的评判结果,其中两个分量分别表示匹配路段与车辆行驶轨迹间的相似性好和差的程度。
4) 确定Q中每一个分量的权重p′i(i=1,2)
权向量P′=[p′1,p′2],得到μ=P′·QT,μ就是地图匹配可信度。
3 实验结果
下面以石家庄市区电子地图为对象,分别使用GPS/DR和GPS/DR/MM组合定位两种方法对车辆进行定位,并将定位结果显示在电子地图中,以比较两种定位方法的优缺点。由于所选地区高楼密集,道路相对狭窄,路网形状也极不规则,其环境无论对GPS接收机还是地图匹配算法而言都是非常恶劣的,因此能够充分显现出两种定位方法的优缺点。行车路线是中山东路-维明北街-水源街-和平西路-公里街-民族路-泰华街,数据采样周期为2s。图3是利用滤波器的GPS/DR组合定位轨迹;图4是经过地图匹配算法进一步修正后的组合定位轨迹。在数据处理的过程中取可信度阈值μmin=0.5,最大修正系数ωmax=0.85。仿真是在AMD Athlon XP2500+,512M RAM,Windows XP操作平台上进行的。单点地图匹配时间58ms,能够很好的满足系统实时性要求。
由图3可见,显然,GPS/DR组合定位的轨迹偏离道路的情况比较明显。由于DR定位是独立定位技术,能够连续工作,受周围环境的影响小,在GPS接收机不能工作的情况下仍然能继续工作,保证了定位的连续性,因而消除了单独使用GPS定位时所出现的不连续现象。但是由于DR定位技术需要不停地使用GPS定位信息进行修正,从而GPS的定位误差直接传到了DR定位中,因此较差的GPS定位数据必然会影响到DR的定位效果;同时在车辆上的GPS接收机长时间不能工作时,必然不能及时校正DR定位所需的初始位置数据,这样DR定位误差在较长时间内便会积累,降低定位精度,特别是当车辆通过较长的隧道时,这种误差尤其严重。
由图4可见,经过地图匹配算法进一步修正后的组合定位轨迹更加平滑,所有轨迹基本上都在道路中,而且像GPS/DR组合定位一样没有轨迹不连续现象。正常情况下,由于车辆都是在道路中行驶的,经地图匹配后偏离了道路的轨迹必然会被纠正到道路中来,因而经地图匹配后,组合导航系统定位精度有了明显改善。但是在道路密集且道路形状相似时,地图匹配算法的效果会降低,并且有可能发生误匹配,如图中红圈中所示,这就是定位轨迹中有些地方出现波折的原因。但由于多评判规则的使用,可大大降低误匹配率,并能够使系统快速从误匹配恢复,提高系统定位的鲁棒性。
综上所述,GPS/DR组合定位技术相对GPS单独定位技术有优势,但是在恶劣的定位环境下仍然不能满足要求,而GPS/DR/MM组合定位即使在恶劣的条件下仍然能够有效地保证定位的精度。因此,在实际的应用中多采用GPS/DR/MM组合定位技术,这正是使用高精度数字地图的好处之一。
4 结 论
本文研究了地图匹配技术在GPS/DR组合导航系统中的应用,建立了GPS/DR/MM组合导航系统模型,给出了一种基于模糊逻辑的地图匹配算法,通过相关参数隶属度函数有效地确定当前车辆行驶的路段。仿真试验的结果表明,应用该地图匹配算法能够为组合导航系统的定位精度带来明显的改善,GPS/DR/MM组合导航定位系统能够更有效地进行车辆导航定位。
参考文献
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GPS导航定位技术 篇9
关键词：GPS伪距测量,航天飞行器,自主导航
2000年5月1日, 时任美国总统克林顿宣布:即日起停止对GPS卫星实施SA技术, 致使广大民用GPS用户能够获得±23m (置信度95%) 的二维位置精度、±33m (置信度95%) 的高程精度和200ns (置信度95%) 的定时精度, 这标志着GPS现代化的开始。G P S现代化后, G P S卫星将向全球广大用户发送3个导航定位信号 (L1, L2, L5) , 而能够为民用提供L1-C/A码、L2-C码和L5-G码的三个伪距测量值, 这为器载GPS测量的航天飞行器自主导航奠定了坚实的工程应用基础。
早在GPS技术问世之初的1982年7月, 美国发射的Landsat-D地球资源卫星便开创了星载GPS测量的先例, 而在Landsat-D卫星上安设了一台GPSPAC GPS信号接收机;其功耗为45瓦, 重达18千克。星载G P S测量的结果表明, 它不仅验证了G P S用于卫星定轨的可行性, 而且证实了星载GPS测量具有下列优越性:
⊙能够精确而自主地测定卫星在轨飞行时的实时位置与速度, 甚至姿态参数。
⊙能够实现在轨卫星的自主导航, 而显著减少对地面测控系统的依赖。
⊙能够为星上其他设备提供高精度的时间基准而取代地面测控系统的时统子系统。
近年来的实用证明, 从几百千米高的低轨航天器, 直到几万千米高的高轨航天器 (如地球同步卫星, 但它利用在地球另外一面与该卫星相对的GPS导航定位信号, 见图1所示) , 都能够采用GPS技术进行导航定位测量, 即使是航天器的交会与对接、航天飞机的入轨飞行和变轨返航, 都成功地应用了GPS技术。美国正在设计研制中的用于取代航天飞机的乘员探索飞行器 (CEV, Crew Exploration Vehicle) , 也将采用GPS自主导航定位技术。
我们知道, 为了测控定轨“神舟”五号飞船, 不仅在新疆、甘肃、内蒙、陕西、山东和福建等省设立了10余个固定测控站, 而且派出4艘“远望号”航天测量船分别在太平洋、大西洋和印度洋上设置了四个机动测控站。“远望一号”停泊于日本海上, “远望二号”停泊于南太平洋上, “远望三号”停泊于南大西洋上, “远望四号”停泊于印度洋上, 这4艘航天测量船装备着无线电跟踪测量系统、光学跟踪测量系统、遥测系统、遥控系统、再入物理现象观测系统、声呐系统、数据处理系统、指挥控制中心、船位船姿测量系统、通信系统、时间统一系统、电磁辐射报警系统和辅助设备。为了完成对“神舟”五号飞船于2003年10月15日至16日的14圈太空飞行的测控定轨任务, 从2003年9月8日开始, 4艘“远望”号航天测量船相继出征, 它们分别通过台湾海峡、马六甲海峡和好望角等险要航区后, 先后到达各自的预定海域, 历时87天, 航程6万余海里, 才完成了对“神舟”五号飞船的测控定轨任务。如果能够充分发挥G P S技术的作用, 如此费时、费力和费钱的地面测控, 是能够减轻负担的, 本文拟对GPS伪距测量在航天飞行器自主导航中的应用予以简要论述。
1 器载GPS伪距测量自主导航定轨的基本问题
实用表明, (航天) 器载GPS伪距测量定轨, 需要注重下列三大问题:
(1) 器载GPS信号接收机, 它不仅具有随航天器以每秒几千米飞行时能够同时捕获、跟踪和测量4颗以上GPS卫星的能力, 而且能够实时地快速转向取代降落卫星的新卫星, 保持4颗以上GPS卫星的测量数据。
(2) 器载GPS信号接收天线, 它不仅具有多频信号的接收和捕获能力, 而且具有1°以下的天线方向截止角 (天线方向性系数近于零的方向角) 。此外, 在航天器上设置GPS信号接收天线时, 既要注重减小多路径效应的影响, 又要严防本地信号的串扰。
(3) 器载GPS测量数据处理软件, 它不仅具有优异的在星数据处理软能力, 实时给出定轨结果, 而且能够通过遥测遥控信号进行更新换代。
此处需要特别强调一下器载GPS信号接收天线。器载GPS测量, 难以进行高程约束解, 而至少需要观测4颗GPS卫星, 才能解算出三维实时在轨位置。为了确保在轨点位测量的连续性, 器载GPS信号接收天线必须稳定接收和跟踪4颗以上的GPS卫星, 天线方向图的优劣和卫星飞行姿态的稳定与否, 便成为能否保持稳定接收和跟踪的关键。GPS信号接收天线的优劣, 取决于它的方向图、增益、输入阻抗、极化和频带宽度等天线参数。对于单频GPS天线而言, 它的带宽应为1565-1586MHz;对于双频GPS天线而言, 它的第一频带宽度 (L1) 应为1565-1586MHz, 第二频带宽度 (L2) 应为1217-1237 M H z, 这是接收GPS信号的重要前提。若所购GP S天线不能工作于上述频带, 便难以接收到GP S信号, 根据接收天线理论可知, GPS信号接收天线的最大输出功率和信噪比均正比于它的方向性系数ka。现行GPS信号接收天线的方向性图多数近于半球体, 但是, 随着天线设计和制作工艺之异, 天线的方向截止角 (ka近于零的方向角) 彼此相差较大。例如, Trimble动态天线的方向截止角为15°, 而Tecom 401170型动态天线的方向截止角仅为1° (如图2所示) 。由此可见, 在GPS卫星处于同一高度角 (如10°) 的情况下, 用Tecom 401170型动态天线能够稳定接收到GPS信号, 而Trimble动态天线恰好处于方向截止角之内, 而接收不到该颗GPS卫星的导航定位信号, 达不到至少观测4颗GPS卫星的目的。若卫星在飞行过程中, 因摄动力的波动起伏而导致较大的倾斜和转动, 这相当于GPS卫星高度角的跃变, 可能导致GPS信号落于天线方向截止角之内, 而中断在轨点位的实时测量。因此, 器载GPS信号接收天线应该具有小于甚至远小于1°的方向截止角。
2 粗差的探测和剔除
现在, 我们讨论器载GPS测量数据的处理问题。依据在“GNSS伪距单点定位及其实现──GNSS卫星导航定位方法之一”的式 (13) (《数字通信世界》, 2016年第4期) 可知, 器载GPS伪距测量的单点首发解, 是一个迭代计算过程。在空间飞行环境下, 由于器载GPS信号接收机的性能不完整性和多路径效应的影响, 如果不采较优越的GPS数据处理软件, 而用一般的商品软件处理器载GPS伪距测量数据, 用CH A MP卫星的GPS测量数据计算结果表明, 器载GPS伪距测量单点解, 有时会出现10~100m的粗差, 个别情况下甚至会产生10~10 0 k m的异常结果, 而严重损失器载GPS自主导航定轨的精度及其稳定性。因此, 探测和剔除这种粗差, 是器载GPS伪距测量自主导航定轨的重要问题。此处介绍一种基于动力法预报轨道的粗差剔除算法, 该法以简化的动力法预报轨道作为星载GPS伪距测量解的初始值, 进而用G r ubbs准则剔除含有较大伪距粗差的观测值, 并计算卫星的轨道。然后用简化的动力学模型对星载GPS伪距测量解的结果进行推广卡尔曼滤波, 获得最终的卫星自主定轨值。现对此作较详细介绍。
2.1 简化动力学推广卡尔曼滤波
(1) 根据k-1时元的先验状态, 对卫星运动方程和变分方程进行数值积分
考虑到星载计算机的内存和速度的限制, 仅采用包含摄动力有10×10阶次的JGM3地球重立场模型和日月引力影响的动力模型。在变分方程积分计算状态转移矩阵的过程中, 并没有使用严密的数值积分, 而是使用计算量较小的仅考虑二体问题的方法 (详细计算过程参阅Yanming FENG.An Alter native Orbit Integ ration Algor ith m for GPS Based Precise satellite Autonomous Navigat ion.GPS Solutions.2001, 5 (2) :1~11) 。
(2) 时间更新
(3) Grubbs准则下的GPS伪距几何法实时定轨计算卫星在k时元的状态Yk
(4) 测量更新
(5) 以k=k-1, 返回第一步并计算下一观测时元。
2.2 Grubbs准则下的GPS几何法实时定轨
对CHAMP卫星而言, GPS几何定轨可采用双频伪距的无电离层影响组合作为观测值, 进而列出下述观测方程
式中, Pc (t) 为t时元双频伪距的组合观测值;ρ (t) 为t时元的GPS卫星发射天线至卫星星载GPS接收天线间的几何距离;δtLeo (t) 为t时元星载GPS接收机的钟差, 为待求量;δt (t) 为t时元GPS卫星的钟差, 可用导航电文中钟差参数直接计算;vPc为组合观测值的测量噪声。
以动力法轨道积分的预报值作为参考值, 对 (1) 式进行线性化并迭代求解。为提高轨道精度, 计算时应考虑地球自转影响、相对论影响, 以及卫星GPS接收天线相位中心和卫星质量中心的偏差改正。
几何法定位方法简单, 计算量小, 但容易受GPS卫星星历和卫星钟差的精度、GPS卫星在空间的几何分布、多路径效应和测量噪声等因素的影响。
2.3 星载GPS测量定轨解算实例
根据上述方法, 任意选取连续三天 (2004年5月9日~11日) 的C H A M P星载G P S观测数据进行实时模拟计算。首先仅用一般的GPS几何法实时定轨处理, 不剔除异常数据, 卫星高度截止角设置为10°, 并以卫星高度角进行加权处理 (w (z) =sin2 (z) , z为卫星高度角) 。将整分的计算结果与相应的J PL精密CHAMP轨道比较如图3所示, 但该图中已删除了23处超过1km的轨道差值。由此可见, 绝大多数轨道差值在±50m的范围内, 但受到异常数据的影响, 小部分超出50m, 而且受GPS卫星数 (如图4所示) 的影响, 出现定轨中断现象。
用上述Grubbs准则下的GPS几何定轨并简化动力学推广卡尔曼滤波, 计算以上3天的CHAMP卫星轨道, 与JPL精密轨道比较如图5所示。由该图可见, 三个坐标方向的轨道差值多集中在±10m以内, 只是在GDOP值较大的情况下, 轨道较差较大。主要由于目前公布的CHAMP星载数据中不含D o p ple r实测数据, 无法实时计算卫星的速度并进行卡尔曼滤波, 影响动力学轨道积分的精度。
以上两种方法的定轨结果比较见表1, 简化动力学滤波轨道的RMS有较大提高, 但计算的耗时仅增加1倍 (计算时间间隔为1min, 时元总数为4, 317个) 。在实际应用中, 轨道积分器步长使用60s, 若中间时元使用数学插值方法预报, 总体计算量不会有大的增加。
综上所述, 在用GPS测定低轨卫星的实时轨道时, 简化动力学模型进行推广卡尔曼滤波是必要的, 它不仅可以克服GPS卫星几何分布差、卫星信号中断而出现的卫星轨道不连续, 而且能够剔除伪距测量中的异常数据来提高轨道精度。在计算耗时方面, 仅增加1倍机时, 若辅助以数学插值方法, 计算总耗时不会有较大的增加。在实际应用中, 若能够采集Doppler实测数据, 提高低轨卫星的速度计算精度, 卫星实时定轨精度有望获得进一步提高。
3 航天器的SATODS自主定轨软件
在上述算法的基础上, 王甫红教授研究成功了用于航天器的SATODS自主定轨软件。航天器自主定轨, 是航天器不依赖地面支持, 利用航天器上自备的测量设备实时地测定自身的在轨位置、速度和姿态。该功能与航天器姿态控制系统相结合, 可以实现航天器轨道和姿态的自主维持, 有助于提高地面测控网的生存能力, 即使地面测控网发生了故障, 仍能保持航天器的正常运行。航天器实现自主定轨后, 地面测控网不需要跟踪测轨功能, 只需少量的数据收发站完成数据上行、下行传送功能。
SATODS自主定轨软件, 是基于星载GPS测量自主定轨揉合算法的;它是星载GPS伪距测量、动力学定轨理论、动力学补偿算法、推广卡尔曼滤波和U-D分解滤波等理论的集成应用。SATODS软件的特点是:程序代码简洁、占用内存少、运行速度快和可移植性强。SATODS软件的组成部分如图6所示。现对各组成部分予以简要介绍。
(1) 与星载GPS信号接收机进行实时通信而获取观测数据。这个模块是指GPS信号接收机测量GPS信号产生观测数据时, 自主定轨软件实时地通过串行通信或其他通信方式从接收机中得到观测数据流, 并能够从数据流中提取导航电文、伪距、多普勒频移和载波相位观测数据。
(2) 动力学轨道积分。动力学轨道积分是以当前滤波估计的卫星状态作为初值, 根据已知的卫星摄动力模型使用4阶Runge-Kutta-Fehlberg单步积分器预报下一观测时元的卫星状态, 同时用直接法计算状态转移矩阵。这部分软件实现包括卫星摄动力模型、地固系和惯性系之间的坐标转换、不同时间系统之间的转换、单步积分器与状态转移矩阵计算等子模块组成。其中地球重力场模型最大可达到70×70阶次, 在此阶次内可任意选择确定。这部分程序的计算量在整个自主定轨软件占有较大比例, 因此根据星上处理器的性能和对实时轨道精度的需求, 合理选择摄动力模型尤为重要。另外, 使用合理的非球形加速度的递推算法也可以减小部分计算量。
(3) 粗差或异常观测数据探测和剔除。如果星载GPS观测数据中含有粗差或异常观测数据, 将会降低实时定轨的精度, 严重时导致卡尔曼滤波的发散。因此要获得高精度的定轨结果, 粗差或异常观测数据的探测和剔除至关重要。在自主定轨中, 特别是小量级的伪距观测值粗差, 难以准确地探测和定位。SATODS自主定轨软件采用两步法, 首先根据数值积分的预报轨道计算的新息向量进行较大量级的粗差探测, 然后在U-D分解滤波的估计过程中, 再次对每个进入滤波器的观测数据进行检查。
(4) 建立观测方程并线性化。自主定轨中使用伪距和多普勒频移作为观测量, 如果是星载GPS双频接收机, 可以使用消除电离层影响的组合伪距。计算GPS卫星信号发射时刻的卫星位置和速度, 以及各项误差源改正。根据动力学轨道积分的预报轨道, 将伪距和多普勒频移观测值线性化, 计算待估参数的偏导数, 在此基础上可以进行几何法定轨, 用于推广卡尔曼滤波定轨的轨道检查。
(5) U-D分解推广卡尔曼滤波。观测方程线性化后, 用U-D分解推广卡尔曼滤波来估计卫星状态参数。U-D分解滤波的特点是将所有观测数据作为一个观测序列, 依次进行测量更新。每次只更新一个观测数据, 在滤波估计中, 避免了多维矩阵求逆运算。不仅可以减小计算量, 而且增强滤波的稳健性, 避免因为数值计算问题导致的滤波发散现象。
(6) 滤波器状态检查并作随机参数自动调整。在滤波的测量更新后, 需要对观测数据的残差序列进行分析, 评定滤波器的状态。当滤波出现发散现象时, 能够重置为初始状态。在低轨卫星进行轨道机动前后, 必须对随机参数进行调整, 使滤波的轨道在动力法定轨和几何法定轨间达到达到最佳的平衡, 以输出最优的卫星轨道。
(7) 轨道内插与发布。为了减小计算量, SATODS的轨道积分步长为30秒, 滤波器的更新时间间隔亦为30秒。而低轨卫星的姿态控制系统以及对地观测系统的观测设备可能需要更小时间间隔的卫星轨道, 这要求自主定轨系统必须提供所需时刻的卫星轨道状态参数。减小轨道积分的步长, 可以达到加密轨道输出的目的, 但这无疑将大幅增加星上处理器的负担。为了解决这个问题, 我们在滤波估计的轨道基础上, 通过5阶的Hermite多项式内插出所需要时刻的卫星轨道, 并将其发布给其他设备。轨道内插的计算量很小, 其插值精度与轨道积分处于同一量级。
为了检测星载GPS测量自主定轨软件SATODS的可靠性, 而进行了比较验算;用C H A M P卫星 (2000-7-15发射) 于2006年4月30日的GPS实测数据, 由SATODS软件解算的该颗卫星的在轨位置与美国JPL高精度轨道进行比较, 其结果表明, 速差最大值仅为1mm/s, 点位差最大值为0.882m (如表2所示) 。用SAC-C卫星 (2000-11-21发射) 于2006年4月30日的G P S实测数据, 由SAT OD S软件解算的该颗卫星的在轨位置与美国JPL高精度轨道进行比较, 其结果表明, 速差最大值仅为2.09mm/s, 点位差最大值为0.927m (如表3所示) 。上述算例表明, 采用星载GPS测量自主定轨的揉合算法, 可以获得米级的卫星轨道测量精度和毫米级的卫星运行速度测量精度, 而具有广泛的应用价值。
4 结束语
星载GPS测量能够自主地测定卫星在轨飞行时的实时位置与速度, 甚至姿态参数;能够实现在轨卫星的自主导航, 而显著减少对地面测控系统的依赖;能够为星上其他设备提供高精度的时间基准, 而取代地面测控系统的时统子系统。
航天器自主定轨, 是航天器不依赖地面支持, 利用航天器上自备的测量设备实时地测定自身的在轨位置、速度和姿态。该功能与航天器姿态控制系统相结合, 可以实现航天器轨道和姿态的自主维持, 有助于提高地面测控网的生存能力, 即使地面测控网发生了故障, 仍能保持航天器的正常运行。航天器实现自主定轨后, 地面测控网不需要跟踪测轨功能, 只需少量的数据收发站完成数据上行、下行传送功能。
我们的实算成果表明, 采用星载GPS测量自主定轨的揉合算法, 可以获得米级的卫星轨道测量精度和毫米级的卫星运行速度测量精度, 而具有广泛的应用价值。
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GPS导航定位技术 篇10
关键词大地测量；GPS定位；应用
中图分类号TP文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)021-0182-01
目前，因具有精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特性，GPS定位技术被广泛应用于大地控制测量中。可以说GPS定位技术已完全取代了用常规测角、测距手段建立大地控制网。
1GPS网的分类和大地测量技术的概念
GPS网归纳起来大致可以分为两大类：一类是全球或全国性的高精度GPS网，这类GPS网中相邻点的距离在数千公里至上万公里，其主要任务是做为全球高精度坐标框架或全国高精度坐标框架，为全球性地球动力学和空间科学方面的科学研究工作服务，或用以研究地区性的板块运动或地壳形变规律等问题；另一类是区域性的GPS网，包括城市或矿区GPS网，GPS工程网等，这类网中的相邻点间的距离为几公里至几十公里，其主要任务是直接为国民经济建设服务。
大地测量的科研任务是研究地球的形状及其随时间的变化，因此建立全球覆盖的坐标系统一的高精度大地控制网是大地测量工作者多年来一直梦寐以求的。直到空间技术和射电天文技术高度发达，才得以建立跨洲际的全球大地网，但由于VLBI、SLR 技术的设备昂贵且非常笨重，因此在全球也只有少数高精度大地点，直到GPS技术逐步完善的今天才使全球覆盖的高精度GPS网得以实现，从而建立起了高精度的
（在1-2CM）全球统一的动态坐标框架，为大地测量的科学研究及相关地学研究打下了坚实的基础。
作为我国高精度坐标框架的补充以及为满足国家建设的需要，在国家A级网的基础上建立了国家 B级网（又称国家高精度GPS网）。布测工作从上世纪90年代开始，经过几年努力完成外业工作，内业计算已基本完成。全网基本均匀布点，覆盖全国，共布测730个点左右，总独立基线数2200多条，平均边长在我国东部地区为50km，中部地区为100km，西部地区为150km，经整体平差后，点位地心坐标精度达±0.1m，GPS基线边长相对中误差可达2.0*10e-8，高程分量相对中误差为3.0*10e-8。
新布成的国家A、B级网已成为我国现代大地测量和基础测绘的基本框架，将在国民经济建设中发挥越来越重要的作用。国家A、B级网以其特有的高精度把我国传统天文大地网进行了全面改善和加强，从而克服了传统天文大地网的精度不均匀，系统误差较大等传统测量手段不可避免的缺点。通过求定A、B级GPS网与天文大地网之间的转换参数，建立起了地心参考框架和我国国家坐标的数学转换关系，从而使国家大地点的服务应用领域更宽广。
2测量方面的限制
1）相位整周模糊度解算是否可靠的影响。这主要直接影响三维坐标，对短边应用快速静态和实时动态（RTK）技术时，必须准确得到相位整周数，由于RTK常常使用最小量的数据，即使最好的算法有时也求解整周模糊度错误，为了发现这些能达到米级的错误，需通过重复观测来获取多余观测量。星历和参考坐标对三维坐标将产生几个PPM的影响，假定广播星历的质量一直保持如最近那般高，它对短边的影响将达到最小，但在世界上某些地区要获得一个理想的WGS84参考位置（± 10M或更好）却存在着问题。
2）多路径效应的影响。分为直接的或间接的，并能对三维坐标产生分米级的影响。间接影响是指影响求解整周模糊度。在有足够的观测时间时，卫星几何位置的变化将能通过平均将其影响减小，然而当观测时间较短时，例如快速静态和RTK，多路径效应影响将变得很大。尽管硬件和软件能降低多路径效应影响，选择好的站点避免多路径效应以及增加多余观测以发现残存的影响仍然是很重要的。
3）大地水准面模型方面的限制。GPS测量得到的是椭球高，为了获得正常高（H），我们需知道高程异常值（N）。对长距离，GPS测量也能非常有效地得到椭球高，但会遇到大地水准面和高程基准面方面的问题。在一些地区，全球重力场模型（GGM）是唯一可使用的大地水准面模型。一些最近的全球重力场模型以扩展的球体为模型，能较好地解决半度（55KM）范围内的问题。然而，即使国家级模型，其绝对精度也限制在米级，相对精度限制在几分米。为了提高高程精度，可以通过计算当地大地高模型并采用内插技术。长波部份由GGM计算，短波部份由当地重力值计算。
4）高程基准面方面的限制。在很多地区，使用已知的正常高或正高来定义高程基准面。有时，定义了多个高程基准面，每一个高程基准面都由一个原点（例如验潮站观测点）推算，该点的高程值由一个或几个潮汐的平均海水面值来决定。如果海洋测量或水准测量有误，将会使高程基准面的基准偏离真实的重力模型，可以增加一个曲面到大地水准面模型加以解决。为了检核高程基准面，常常使用GPS观测至少三个高程基准面点来实现。
3区域性GPS大地控制网
所谓区域GPS网是指国家C、D、E级GPS网或专为工程项目布测的工程GPS网。这类网的特点是控制区域有限（或一个市或一个地区），边长短（一般从几百米到20KM），观测时间短（从快速静态定位的几分钟至一两个小时）。由于GPS定位的高精度、快速度、省费用等优点，建立区域大地控制网的手段我国已基本被GPS技术所取代。就其作用而言分为建立新的地面控制网；检核和改善已有地面网；对已有的地面网进行加密；拟合区域大地水准面。
1）建立新的地面控制网。尽管我国在上世纪70年代以前已布设了覆盖全国的大地控制网，但由于人为的破坏，现存控制点已不多，当在某个区域需要建立大地控制网时，首选方法就是用GPS技术来建网。
2）对老网进行加密。对于已有的地面控制网，除了本身点位密度不够以外，人为的破坏也相当严重，为了满足基本建设的急需，采用GPS技术对重点地区进行控制点加密是一种行之有效的手段。布设加密网要尽量和本区域的高等级控制点重合，以便较好地把新网同老网匹配好，从而避免控制点误差的传递。
3）检核和改善已有地面网。对于现有的地面控制网由于经典观测手段的限制，精度指标和点位分布都不能满足国民经济发展的需要，但是考虑到历史的继承性，最经济、有效的方法就是利用高精度GPS技术对原有老网进行全面改造、合理布设GPS网点，并尽量与老网重合，再把GPS数据和经典控制网一并联和平差处理，从而达到对老网的检核和改善的目的。
参考文献
[1]胡明城,鲁福.现代大地测量学[M].北京:测绘出版社,1994.
[2]熊介.大地测量学[M].北京:解放军出版社,1998.
[3]王解先.GPS精密定轨定位[M].上海:同济大学出版社,1997.
作者简介
杨立涛（1984—），男，汉族，山东德州人，毕业于山东农业大学测绘工程系，学士。现为山东省地震局安丘地震台助理工程师。2008年负责台站水准测量并在本年度国家局资料评比获第二名，主要从事大地水准测量。
