汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)

汽車導(dǎo)航是近年興起的一種汽車駕駛輔助設(shè)備，駕車者只要將目的地輸入汽車導(dǎo)航系統(tǒng)，系統(tǒng)就會根據(jù)電子地圖自動計算出最合適的路線，并在車輛行駛過程中（例如轉(zhuǎn)彎前）提醒駕駛員按照計算的路線行駛。在整個行駛過程中，駕車者根本不用考慮該走哪條路線就能快捷地到達(dá)目的地。
當(dāng)前的汽車導(dǎo)航系統(tǒng)包括兩部分：全球定位系統(tǒng)和車輛自動導(dǎo)航系統(tǒng)。汽車導(dǎo)航設(shè)備一般是由GPS天線，集成了顯示屏幕和功能按鍵的主機，以及語音輸出設(shè)備（一般利用汽車音響系統(tǒng)輸出語音提示信息）構(gòu)成的。受車內(nèi)安裝位置的限制，一般汽車導(dǎo)航設(shè)備和汽車視像音響合成在一起，可以播放CD、VCD和DVD碟，其中DVD驅(qū)動器負(fù)責(zé)讀取電子地圖DVD光盤，因此，一些汽車導(dǎo)航系統(tǒng)又稱為DVD導(dǎo)航系統(tǒng)。
一、全球定位系統(tǒng)GPS
介紹汽車導(dǎo)航系統(tǒng)必然要涉及到全球定位系統(tǒng)，即GPS。GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的縮寫，它是由空間衛(wèi)星、地面監(jiān)控和用戶接收等三大部分組成。空間衛(wèi)星由24顆衛(wèi)星組成一個分布網(wǎng)絡(luò)，分別分布在6條離地面2萬公里、傾斜角為55°的地球準(zhǔn)同步軌道上，每條軌道上有4顆衛(wèi)星。GPS衛(wèi)星每隔12小時繞地球一周，使地球上任一地點能夠同時接收7～9顆衛(wèi)星的信號。
地面共有1個主控站和5個監(jiān)控站負(fù)責(zé)對衛(wèi)星的監(jiān)視、遙測、跟蹤和控制。它們負(fù)責(zé)對每顆衛(wèi)星進(jìn)行觀測，并向主控站提供觀測數(shù)據(jù)。主控站收到數(shù)據(jù)后，計算出每顆衛(wèi)星在每一時刻的精確位置，并通過3個注入站將它傳送到衛(wèi)星上去，衛(wèi)星再將這些數(shù)據(jù)通過無線電波向地面發(fā)射。
二、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)
汽車導(dǎo)航系統(tǒng)中的GPS信號接收器接收衛(wèi)星發(fā)送的信號，根據(jù)衛(wèi)星信號計算出地面接收機的當(dāng)前位置。如果地面接收機同時收到4顆以上的衛(wèi)星信號，就能根據(jù)衛(wèi)星的精確位置及發(fā)送信號的時刻，通過計算以求得當(dāng)前地點的位置。汽車導(dǎo)航系統(tǒng)通過車輪傳感器、地磁傳感器和偏航傳感器等三種傳感器獲取數(shù)據(jù)，確定汽車的速度和位置。車輪傳感器記錄車輪的速度，產(chǎn)生的脈沖信號用于定時計算行駛距離和方向變化。地磁傳感器通過勵磁繞組感應(yīng)出電壓脈沖，測量出沿途地磁場水平分量的大小與起始點磁場的比較，為車載電腦提供補償數(shù)據(jù)。電子地圖存儲容量能夠存儲汽車運行區(qū)域的所有數(shù)據(jù)，車載電腦與存儲道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)不斷比較判斷，更正定位誤差從而確定最佳行駛路徑。
目前先進(jìn)的汽車導(dǎo)航系統(tǒng)多用單片機結(jié)構(gòu)，嵌入式操作系統(tǒng)，軟件代碼存儲于ROM中，代碼簡潔，運行可靠，啟動及關(guān)閉迅速，具有幾乎完整的PC組件和輸入輸出端口，適應(yīng)汽車惡劣的工作環(huán)境，在高溫或低溫以及劇烈振動環(huán)境下工作可靠性高。
三、自主導(dǎo)航
汽車自動導(dǎo)航系統(tǒng)的作用是根據(jù)GPS接收機提供的車輛當(dāng)前位置和用戶輸入的車輛目的地、參照電子地圖計算的行駛路線，并在行駛中將信息提供給駕車者。目前世界上應(yīng)用較多的是自主導(dǎo)航，其主要特征是每套車載導(dǎo)航設(shè)備都自帶電子地圖，定位和導(dǎo)航功能全部由車載設(shè)備完成。它的工作過程主要有以下步驟：
　　（1）輸入數(shù)據(jù)信息。出發(fā)前，車主將目的地輸入到導(dǎo)航設(shè)備中，在系統(tǒng)顯示的電子地圖上直接點擊選取地點，或者是借助某種輸入方法，將目的地名稱輸入到系統(tǒng)中。根據(jù)輸入設(shè)備的不同，可以有不同的地名輸入方法，依靠按鍵或觸摸屏可以實現(xiàn)幾乎所有的操縱功能。為了便利，目前人們也在開發(fā)語音識別技術(shù)的產(chǎn)品。
　　（2）顯示電子地圖。汽車導(dǎo)航系統(tǒng)中至關(guān)重要的一部分是存儲在光盤或內(nèi)置存儲器（如硬盤）中的電子地圖，電子地圖中存儲了一定范圍內(nèi)的地理、道路和交通管制信息，與地點對應(yīng)存儲了相關(guān)的經(jīng)緯度信息。汽車導(dǎo)航主機從GPS接收機得到經(jīng)過計算確定的當(dāng)前點經(jīng)緯度，通過與電子地圖數(shù)據(jù)的對比，就可以隨時確定車輛當(dāng)前所在的地點。一般汽車導(dǎo)航系統(tǒng)將車輛當(dāng)前位置默認(rèn)為出發(fā)點，在用戶輸入了目的地之后，導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)電子地圖上存儲的地圖信息，就可以自動計算出一條最合適的推薦路線。在有的系統(tǒng)中，用戶還可以指定途中希望經(jīng)過的途徑點，或者指定一定的路線選擇規(guī)則（如不允許經(jīng)過高速公路、按照行駛路線最短的原則等）。推薦的路線將以醒目的方式顯示在屏幕上的地圖中，同時屏幕上也時刻顯示出車輛的當(dāng)前位置，以提供參考。如果行駛過程中車輛偏離了推薦的路線，系統(tǒng)會自動刪除原有路線并以車輛當(dāng)前點為出發(fā)點重新計算路線，并將修正后的路線作為新的推薦路線。
汽車自動導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出設(shè)備包括顯示屏幕和語音輸出設(shè)備。顯示屏幕一般是個100～150毫米（4～6英寸）的液晶顯示屏（如果需要手寫識別作為輸入，顯示屏表面還有一張透明的觸摸屏作保護(hù)）它的屏幕可以由幾十萬個點陣組成，全屏幕有30多萬個像素，常用分辨率有640×480或774×435，可以支持高清晰度圖像和DVD放像功能。主要顯示內(nèi)容包括：地圖（包括相應(yīng)的道路名稱、公路編號、重要地點名稱等）、車輛的當(dāng)前位置、推薦路線等，根據(jù)用戶的設(shè)定還可以顯示附近的維修站、加油站、停車場及其他公共服務(wù)單位的名稱及地理位置等信息，以方便用戶需要。
汽車導(dǎo)航系統(tǒng)操作的簡便性是設(shè)計者追求的目標(biāo)，實際上這也涉及到一個安全的問題，因為駕車者不允許一邊開車一邊看電子地圖。因此，設(shè)計者都考慮針對汽車導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用需求開發(fā)語音及語音識別技術(shù)，使用者通過語音代替按鍵操作發(fā)出指令，使導(dǎo)航系統(tǒng)完成相應(yīng)的工作，導(dǎo)航系統(tǒng)通過語音代替圖像文字，向駕車者發(fā)出信號或指令。例如豐田威馳導(dǎo)航系統(tǒng)就是一種帶有語音技術(shù)的導(dǎo)航系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)彎路口等地方可以用語音提示。
汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用關(guān)鍵是電子地圖。用戶購買裝備有導(dǎo)航系統(tǒng)的車輛時，還能得到一張刻錄了電子地圖的CD-ROM光盤。用戶在開啟車輛導(dǎo)航系統(tǒng)之后,必須把這張CD-ROM插入導(dǎo)航設(shè)備的光盤驅(qū)動器中，系統(tǒng)需要道路信息時都會到CD-ROM上去獲取。例如豐田威馳DVD導(dǎo)航系統(tǒng)就是這樣，它在副駕駛座下面有一個DVD驅(qū)動器，專門讀取電子地圖DVD光盤。隨著城鄉(xiāng)建設(shè)及道路變化，電子地圖光盤也會定期更換。但是，就是最新版的電子地圖也不能保證準(zhǔn)確無誤。針對這種情況，汽車導(dǎo)航系統(tǒng)又需要增加一定的輔助支援系統(tǒng)。目前在應(yīng)用汽車導(dǎo)航系統(tǒng)比較廣泛的地區(qū)（例如歐美和日本），汽車公司或其他商業(yè)公司建立的呼叫中心或公共交通信息電臺，通過GSM移動通訊形式發(fā)短消息或電臺發(fā)送的最新的交通信息提供給汽車上的導(dǎo)航設(shè)備，可以對汽車上電子地圖的信息隨時進(jìn)行修正。
我國對于地圖的出版有嚴(yán)格的規(guī)定，對于電子地圖也不例外。因為它不同于一般的電子出版物，其標(biāo)準(zhǔn)性、政策性、保密性、技術(shù)性較強，是國家版圖、行政區(qū)劃界線的科學(xué)表達(dá)，因此電子地圖一定要經(jīng)國家測繪局審核后才能出版。目前威馳轎車的DVD語音電子導(dǎo)航系統(tǒng)，也特別注明電子導(dǎo)航系統(tǒng)是“經(jīng)國家測繪局的支持和批準(zhǔn)”。為了適應(yīng)汽車自動導(dǎo)航設(shè)備需要根據(jù)行駛區(qū)域、路線、自動或人工改變地圖比例尺的需求（即電子地圖放大或縮小），所以，汽車導(dǎo)航系統(tǒng)所使用的地圖必須是以向量方式記錄的。
目前國內(nèi)一些汽車運營企業(yè)安裝的“汽車導(dǎo)航系統(tǒng)”，主要功能是調(diào)度與監(jiān)測，與前面說明的汽車導(dǎo)航系統(tǒng)不同，這些系統(tǒng)中的車輛上除GPS天線和接收機外，并不需要車輛自主導(dǎo)航設(shè)備（包括電子地圖），車輛通過車載通訊設(shè)備和公司保持聯(lián)系。因為這類系統(tǒng)的導(dǎo)航過程其實是人工完成，因此還不能算是汽車自動導(dǎo)航系統(tǒng)。