CN
EN

GPS车载应用面临的关键问题

时间:2017-04-21阅读量:73

  车载GPS的精度要求和飞机进场着陆船舶进港差不多,都需要差分系统的支持。航空上视野开阔,无信号遮挡问题是三维定位;陆海应用可按二维定位应用,但多路径干扰严重,在城乡应用中信号遮挡、中断、衰减问题突出。目前正是GPS产业向车载导航应用进军的时期,我们憧景美好的前途,庞大的市场和销售预测,广阔的应用领域,但也应注意解决某些技术障碍和组织管理因素的制约。
 
  1.多路径干扰
 
  用户周围环境地物包山丘、水面、建筑物等,在用户接收机上不仅接收到从卫星发射来的直接波,还有许多从附近地物形成的长路径反射波,在叠加信号影响下,不仅使输入信噪比降低.,而且测量的码伪距和相位值都会畸变而产生误差。高精度测量领域,可以选择场址回避,并可采用很好的右旋极化天线和挡径盘,或多天线接收后用特殊算法排除多路径效应,提高精度。低成本的天线和接收机要消除多路径效应非常困难,将形成较大的实质性误差。相关接收机由多路径造成的误差不会超过半个C/A码波长(约150米),它随地形环境而变化,对陆地移动用户来说误差时大时小,可以出现数米或更大误差。
 
  2.信号遮挡和中断
 
  个人用户和车载GPS接收机在城市使用时会受到建筑物对信号的遮挡,而且在进入立交桥下或地道内时会出现信号中断,它们是限制GPS普遍化应用的一大障碍。
 
  目前,低成本接收机解决的办法为缺星定位和快速再锁定。缺星定位(或称降星定位)只是软件算法上的解决。正常为四星三维定位,当可见星只有三颗时,按等高二维定位解算法(将高度按原先值不变处理),当可见星只有二颗时,按等高等时钟差定位解算法(将高度视作不变,钟差也视作不变处理,即无钟二维定位解),当可见星仅一颗时按约束推测算法(不仅高度、钟差按原始值不变处理,而且载体按等速前进处理,在此集合约束条件下的速度支助推测算法去定位)。因而缺星定位在诸多条件约束下,仅能在有限时间内使用。例如在城市内穿越断续楼群下的街道,可见卫星数目忽多忽少,一旦跟踪了多颗卫星,又可恢复,定位,但大峡谷底部行车或通过隧道时仍然会丢失位置。
 
  当脱离遮挡后必须快速锁定恢复定位,否则新的遮挡又要来临。快速锁定机制在码跟踪环内实现,通常码跟踪环为了对准和锁定,提供3个间隔0.5码片曲早到码,正点码、迟到码,其搜索范围为1.0个码片,相当于对应的位置点非确定性约300米范围。对于提供2O个间隔0.5码片的码跟踪环来说,其搜索范围对应非确定性扩大到2600多米范围内,所以可以提早锁定,目前可以达到t00毫秒内再锁定。
 
  在缺星定位技术和快速锁定技术的配合下,增强了车载接收机在楼群峡谷穿行时的抗遮挡能力,不致丢失位置,采用这两项技术的接收机,必须是并行多通道接收机。
 
  3.信号衰减
 
  微波都会受金属材料或厚的非金属材料的遮挡,对金属网来说,如果网格间距小于19厘米(L1的波长)则也受阻挡。此外对含有水份的树叶,L1信号也将衰减。当行车通过密林或街道华盖时,信号极度衰减,使GPS无法定位,为此需要采用低信噪接收技术,例如真2位A/D和4级电平的处理技术,以降低数据路径损失和提高弱信号锁定灵敏度,还有得当的AGC电路设计,能对.170~175dBW信号接收锁定。但更低信号电平上的接收锁定尚有难度。
 
  4.低功耗问题
 
  最为根本的办法是从硬件上考虑。例如采用高性能深亚微米CMOS工艺的芯片。降低使用电压;早期采用0.6~m6V以上的芯片,
 
  目前己能采用0.3m3.3V的芯片,毫瓦级功耗,将来还可用0.25m和更低电压。其次是采用程序控制的电源管理软件.可以编排不同的程控方式。使得接收机启动捕获、锁定、输出定位解后进入部分断电的休眠状’态,等待下次数据更新时再自动接通;而且数据更新率也可以调控,在每秒一次至数分钟一次之间可选。在手持机上定位数据更新率不必每秒一次,一般可改用每4~5秒一次;结合快速锁定解算技术一次定位只用200毫秒,则占用工作时间仅5--4,大大节省用电。此外对片上各个部分(射频、信号处理、数据处理)的通电时间也可分别接通。只在需要的时间才接通.因此片上有一个实时时钟(RTC)进行着对各部份的电源营理程序。RTC按一定的时间闻隔,自动苏醒、产生中断、顺序地向各个部分发出通电处理直至断电休眠的各种指令。
 
  5.微型化和低成本问题
 
  GPS接收机正在向微型化和低成本方向发展。目前GPS制造商除了研制OEM板以外,都自行研制GPS专用芯片(ASIC),包括MMIC射频芯片、高速CMOS信号处理芯片,以及多芯片模块(MCM)。只有微小尺寸/构型的GPS模块才能嵌装在共享电源的其他器件内,这对微型天线设计提出了一些难题。这些器件一般采用按需使用的方式.具有快速启动的按钮定位和保持星历数据不丢失的长间隔定位更新率的自主工作方式。当首次起动以后,压下按钮定位时间要求在2秒以内。
 
  6.电子地图配套应用问题
 
  GPS+电子地图的应用是陆海空移动用户喜用的普遍方法。海上用户已有电子海图显示信息系统(ECDIS),并进入了标准化数据电子海图的应用。航空用户采用由导航数据库生成的电子航图,但尚未标准化。陆上车载GPS应用对电子交通图是必不可少的。驾驶员不可能通过经纬度数值来了解自己的现在位置,必须和活动地图比较以找到自己的位置。由于GPS存在误差,而利用地图匹配技术可以消除某些偏差,将车辆标志移到路上。整个车载GPS接收机还必须和交通信息系统配合工作。
 
  陆用电子交通图一般分两大类,一是城市交通图,二是地区公路交通图,为了规范化,应制订标准。例如日本将电子交通图和道路交通信息作为一个服务整体,先由日本警视厅、邮政省和建设省成立了一个“日本道路交通信息通信系统中心(vlcs)”掌管VICS业务。从东京发展到全国,出版全日本交通地理信息库光盘,发布实时交通信息和通信服务,在这种服务支持下,车载GPS才有用武之地。
 
  我们在发展车载GPS的前期,必需同时发展电子交通图和实时交通信息服务等配套支撑项目。这些配套项目的发展,技术上没有问题,主要在于跨部门跨行业之间的合作协调和组织管理。目前对电子交通图的开发处于自行分散开发和低水平不规范的状态,这将阻碍车辆GPS的发展和广泛应用。
 
  在发展电子地图问题上,必须首先解决WGS一8'1坐标制问题,国家测绘部门应公布一个米级精度的北京一54坐标制对WGS一84坐标制转换参数,公开发行电子地图的比例尺限度和精度控制的规定和管理办法。对于电子地图的数据库媒质,活动地图显示格式、缩放、分层、漫游、信息窗口等用户友好界面问题,都可开放,由开发商自行选择。
 
  7.差分应用问题
 
  车载GPS的精度一般都用差分技术来提高,只有提高到米级精度后,才能采用地图匹配导航和进一步的智能化应用。目前城市交通应用上较多地采用电视台调频付载波调制发射差分修正电文。但是由于这种新服务在服务提供者和用户之间的相互关系,各自承担的义务和权利.如何收费等问题上缺乏规章,影响了普及使用。此外所用的频率和调制体制呈多样化,一种产品不能在其他城市使用,不能大批量生产,成本不能降低,无法在市场上推出汽车制造商更不敢下决心大批量装备。
 
  DGPS修正电文的广播手段局限于电视台调频付载波时,由于其信号覆盖范围有限,只适用于城市,不能适用于地区或国家范围内的公路应用。大范围覆盖的差分系统一般采用基准台联网和由卫星广播的系统,并且都和通信集成一起形成公路交通信息体系。采用卫星广播时的费用大大提高。有人曾经提出扩大城市和效区的信号覆盖采用空中通信转发平台,例如用平流层定点悬浮的气球或气艇作移动通信转发平台。另一种建议为采用城市上空高高度巡回飞行的久航飞机(HALO)、携带着通信转发平台,轮番升空接瞢,把移动通信基站移到天空。
 
  总之差分应用的问题,应通过行业之间的协调,在高水平优选体制下集中开发应用,即使一个城市的开发,也应该跨行业组织整个用户集团,建立起服务体系,最终形成一种产业。