GPS導(dǎo)航地圖導(dǎo)航原理

GPS用戶部分的核心是GPS接收機(jī)。其主要由基帶信號處理和導(dǎo)航解算兩部分組成。其中基帶信號處理部分主要包括對GPS衛(wèi)星信號的二維搜索、捕獲、跟蹤、偽距計算、導(dǎo)航數(shù)據(jù)解碼等工作。導(dǎo)航解算部分主要包括根據(jù)導(dǎo)航數(shù)據(jù)中的星歷參數(shù)實(shí)時進(jìn)行各可視衛(wèi)星位置計算；根據(jù)導(dǎo)航數(shù)據(jù)中各誤差參數(shù)進(jìn)行星鐘誤差、相對論效應(yīng)誤差、地球自轉(zhuǎn)影響、信號傳輸誤差(主要包括電離層實(shí)時傳輸誤差及對流層實(shí)時傳輸誤差)等各種實(shí)時誤差的計算，并將其從偽距中消除；根據(jù)上述結(jié)果進(jìn)行接收機(jī)PVT（位置、速度、時間）的解算；對各精度因子(DOP)進(jìn)行實(shí)時計算和監(jiān)測以確定定位解的精度。 本文中重點(diǎn)討論GPS接收機(jī)的導(dǎo)航解算部分，基帶信號處理部分可參看有關(guān)資料。本文討論的假設(shè)前提是GPS接收機(jī)已經(jīng)對GPS衛(wèi)星信號進(jìn)行了有效捕獲和跟蹤，對偽距進(jìn)行了計算，并對導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行了解碼工作。

1 地球坐標(biāo)系簡述

要描述一個物體的位置必須要有相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系，地球表面的GPS接收機(jī)的位置是相對于地球而言的。因此，要描述GPS接收機(jī)的位置，需要采用固聯(lián)于地球上隨同地球轉(zhuǎn)動的坐標(biāo)系、即地球坐標(biāo)系作為參照系。

地球坐標(biāo)系有兩種幾何表達(dá)形式，即地球直角坐標(biāo)系和地球大地坐標(biāo)系。地球直角坐標(biāo)系的定義是：原點(diǎn)O與地球質(zhì)心重合，Z軸指向地球北極，X軸指向地球赤道面與格林威治子午圈的交點(diǎn)(即0經(jīng)度方向)，Y軸在赤道平面里與XOZ構(gòu)成右手坐標(biāo)系(即指向東經(jīng)90度方向)。 地球大地坐標(biāo)系的定義是：地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合，橢球的短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合。地球表面任意一點(diǎn)的大地緯度為過該點(diǎn)之橢球法線與橢球赤道面的夾角 φ，經(jīng)度為該點(diǎn)所在之橢球子午面與格林威治大地子午面之間的夾角λ ，該點(diǎn)的高度h為該點(diǎn)沿橢球法線至橢球面的距離。設(shè)地球表面任意一點(diǎn)P在地球直角坐標(biāo)系內(nèi)表達(dá)為P( x，y，z )，在地球大地坐標(biāo)系內(nèi)表達(dá)為P ( φ，λ ，h)。則兩者互換關(guān)系為：大地坐標(biāo)系變?yōu)橹苯亲鴺?biāo)系： （1） 式中：n為橢球的卯酉圈曲率半徑，e為橢球的第一偏心率。 若橢球的長半徑為a，短半徑為b，則有 （2） 直角坐標(biāo)系變?yōu)榇蟮刈鴺?biāo)系，可由下述方法求得 φ由疊代法獲得 φc為地心緯度， ep為橢圓率

可設(shè)初始值φ=φc 進(jìn)行疊代，直到|φi=1-φi| 小于某一門限為止。

這兩種坐標(biāo)系在定位系統(tǒng)中經(jīng)常交叉使用，必須熟悉兩種坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

2 GPS定位中主要誤差及消除算法

GPS定位中的主要誤差有：星鐘誤差，相對論誤差，地球自轉(zhuǎn)誤差，電離層和對流層誤差。 1）星鐘誤差 星鐘誤差是由于星上時鐘和GPS標(biāo)準(zhǔn)時之間的誤差形成的，GPS測量以精密測時為依據(jù)，星鐘誤差時間上可達(dá)1ms，造成的距離偏差可達(dá)到300Km，必須加以消除。一般用二項(xiàng)式表示星鐘誤差。 （3） GPS星歷中通過發(fā)送二項(xiàng)式的系數(shù)來達(dá)到修正的目的。經(jīng)此修正以后，星鐘和GPS標(biāo)準(zhǔn)時之間的誤差可以控制在20ns之內(nèi)。 2）相對論誤差 由相對論理論，在地面上具有頻率 的時鐘安裝在以速度 運(yùn)行的衛(wèi)星上以后，時鐘頻率將會發(fā)生變化，改變量為：

即衛(wèi)星上時鐘比地面上要慢，要修正此誤差，可采用系數(shù)改進(jìn)的方法。GPS星歷中廣播了此系數(shù)用以消除相對論誤差，可以將相對論誤差控制在70ns以內(nèi)。 3）地球自轉(zhuǎn)誤差 GPS定位采用的是與地球固連的協(xié)議地球坐標(biāo)系，隨地球一起繞z軸自轉(zhuǎn)。衛(wèi)星相對于協(xié)議地球系的位置(坐標(biāo)值)，是相對歷元而言的。若發(fā)射信號的某一瞬間，衛(wèi)星處于協(xié)議坐標(biāo)系中的某個位置，當(dāng)?shù)孛娼邮諜C(jī)接收到衛(wèi)星信號時，由于地球的自轉(zhuǎn)，衛(wèi)星已不在發(fā)射瞬時的位置〔坐標(biāo)值)處了。也就是說，為求解接收機(jī)接收衛(wèi)星信號時刻在協(xié)議坐標(biāo)系中的位置，必須以該時刻的坐標(biāo)系作為求解的參考坐標(biāo)系。而求解衛(wèi)星位置時所使用的時刻為衛(wèi)星發(fā)射信號的時刻。這樣，必須把該時刻求解的衛(wèi)星位置轉(zhuǎn)化到參考坐標(biāo)系中的位置。 設(shè)地球自轉(zhuǎn)角速度為 we，發(fā)射信號瞬時到接收信號瞬時的信號傳播延時為△t ，則在此時間過程中升交點(diǎn)經(jīng)度調(diào)整為 則三維坐標(biāo)調(diào)整為 （4） 地球自轉(zhuǎn)引起的定位誤差在米級，精密定位時必須考慮加以消除。 4）電離層和對流層誤差 電離層是指地球上空距地面高度在50-1000km 之間的大氣層。電離層中的氣體分子由于受到太陽等天體各種射線輻射，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電離，形成大量的自由電子和正離子。 電離層誤差主要有電離層折射誤差和電離層延遲誤差組成。其引起的誤差垂直方向可以達(dá)到50米左右，水平方向可以達(dá)到150米左右。還無法用一個嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型來描述電子密度的大小和變化規(guī)律，因此，消除電離層誤差采用電離層改正模型或雙頻觀測加以修正。 對流層是指從地面向上約40km范圍內(nèi)的大氣底層，占整個大氣質(zhì)量的99%。其大氣密度比電離層更大，大氣狀態(tài)也更復(fù)雜。對流層與地面接觸，從地面得到輻射熱能，溫度隨高度的上升而降低。對流層折射包括兩部分：一是由于電磁波的傳播速度或光速在大氣中變慢造成路徑延遲，這占主要部分；二是由于GPS衛(wèi)星信號通過對流層時，也使傳播的路徑發(fā)生彎曲，從而使測量距離產(chǎn)生偏差。在垂直方向可達(dá)到2.5米，水平方向可達(dá)到20米。對流層誤差同樣通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠磉M(jìn)行修正。 GPS星歷中通過給定電離層對流層模型以及模型參數(shù)來消除電離層和對流層誤差。實(shí)驗(yàn)資料表明，利用模型對電離層誤差改進(jìn)有效性達(dá)到75%，對流層誤差改進(jìn)有效性為95%。

3 GPS星歷結(jié)構(gòu)及解算過程

要得到接收機(jī)的位置，在接收機(jī)時鐘和GPS標(biāo)準(zhǔn)時嚴(yán)格同步的情況下，則待求解位置是3個未知變量，需要3個獨(dú)立方程來求解。但是實(shí)際情況中，很難做到接收機(jī)時鐘和GPS標(biāo)準(zhǔn)時嚴(yán)格同步，這樣，我們把接收機(jī)時間和GPS標(biāo)準(zhǔn)時間偏差也作為一個未知變量，這樣，求解就需要4個獨(dú)立方程，也就是需要有4顆觀測衛(wèi)星。圖1 GPS定位示意圖（未考慮時間偏差） 假設(shè)接收機(jī)位置為（xu，yu，zu） ，接收機(jī)時間偏差為 tu，則由于時間偏差引起的距離偏差為為得到的偽距觀測值。我們可以得到聯(lián)立方程 （5） 將上式線性化，即在真實(shí)位置（xu，yu，zu）進(jìn)行泰勒級數(shù)展開，忽略高次項(xiàng)，得到 （6） 其中， 式（6）即為實(shí)際計算的疊代公式，疊代終止條件是真實(shí)位置 （xu，yu，zu）的變化量小于某一個閾值，最終得到 可以作為調(diào)整接收機(jī)時間偏差的依據(jù)，計算一般采用矩陣方式求解。要求解該方程，我們還需要預(yù)先知道4顆衛(wèi)星的位置 （xj，yj，zj），而衛(wèi)星位置可以從該衛(wèi)星的星歷中獲得。 GPS衛(wèi)星星歷給出了本星的星歷，根據(jù)星歷可以算出衛(wèi)星的實(shí)時位置，并且星歷中給出了消除衛(wèi)星星鐘誤差、相對論誤差、地球自轉(zhuǎn)誤差、電離層和對流層誤差的參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)計算出的衛(wèi)星位置，可以基本上消除上述誤差。 求解衛(wèi)星位置的基本步驟為： 計算衛(wèi)星運(yùn)行平均角速度 ①計算歸化時間； ②計算觀測時刻的平近點(diǎn)角； ③計算偏近點(diǎn)角； ④計算衛(wèi)星矢徑； ⑤計算衛(wèi)星真近點(diǎn)角； ⑥計算升交點(diǎn)角距； ⑦計算攝動改正項(xiàng)； ⑧計算經(jīng)過攝動改正的升交距角、衛(wèi)星矢徑、軌道傾角； ⑨計算觀測時刻的升交點(diǎn)經(jīng)度； ⑩計算衛(wèi)星在地心坐標(biāo)系中的位置。 特別值得指出的是，在計算衛(wèi)星真近點(diǎn)角Vk時，應(yīng)采用公式 （7） 其中，e為偏心率， Ek為衛(wèi)星偏近點(diǎn)角。有部分參考書籍計算衛(wèi)星真近點(diǎn)角的公式有誤，會導(dǎo)致衛(wèi)星真近點(diǎn)角 的象限模糊問題，從而無法得到衛(wèi)星正確位置。 進(jìn)行上述計算后，再根據(jù)星歷中廣播的各誤差參數(shù)進(jìn)一步消除各項(xiàng)誤差。這樣，我們就得到一個完整的利用GPS星歷進(jìn)行導(dǎo)航定位解算的過程。

從2012年開春起，導(dǎo)航地圖的升級問題似乎成為“風(fēng)口浪尖”的新聞，中央電視臺曾揭露車載導(dǎo)航地圖的“亂象”，新買的地圖卻是舊的，一些車主的地圖甚至是兩三年前的舊版，4S店等地圖升級暗藏“貓膩”，亂收費(fèi)不受監(jiān)督，報道一出，引來反響不斷，可見導(dǎo)航地圖市場仍不成熟。

導(dǎo)航地圖所面臨的幾個問題：

1、升級跟不上價格上漲速度

因?yàn)閷?dǎo)航地圖產(chǎn)品太多，如果大品牌價格上漲的話，很多沒有牌子的小品牌價格就會跟著上漲，但是導(dǎo)航地圖升級卻很慢，這樣對于消費(fèi)者而言，是無法接受的。

2、3D地圖有點(diǎn)虛高

汽車一般情況下都會用3D導(dǎo)航，地圖商發(fā)起的3D導(dǎo)航對機(jī)車產(chǎn)品的銷售幫助影響是好的。對于專車專用價格，如果是在同等品牌的基礎(chǔ)上，專車專用的機(jī)車價格上漲幅度大，價格有點(diǎn)虛高。

3、3D地圖更像噱頭

對于地圖商發(fā)起的3D導(dǎo)航和聲控導(dǎo)航對機(jī)車產(chǎn)品的銷售幫助方面，首先3D導(dǎo)航是個趨勢，至于聲控導(dǎo)航，我覺得更多的只是個噱頭，實(shí)際上來說意義不是很大。

4、淘汰一部分小工廠

5、售后跟不上

價格上漲了，但在售出的導(dǎo)航車機(jī)產(chǎn)品情況上，后期關(guān)于導(dǎo)航中地圖的問題的抱怨挺多的，主要還是因?yàn)閺S家的一些售后跟不上。

通過對分析，我們不難發(fā)現(xiàn)，對于3D導(dǎo)航系統(tǒng)，多數(shù)經(jīng)銷商還是持觀望的態(tài)度。不認(rèn)可3D導(dǎo)航的經(jīng)銷商多是因?yàn)樗麄冇X得3D導(dǎo)航噱頭大于實(shí)質(zhì)，沒有太大的實(shí)際意義，在價格上漲上自然不能接受。認(rèn)可3D導(dǎo)航的經(jīng)銷商是覺得3D導(dǎo)航在對于機(jī)車導(dǎo)航系統(tǒng)上有一定的改進(jìn)，能夠更好的為消費(fèi)者提供導(dǎo)航服務(wù)，所以價格價格區(qū)間也是可以接受的。然而還是消費(fèi)者決定這股3D導(dǎo)航風(fēng)能否熱起來。

方法一：找硬件品牌售后升級

硬件是導(dǎo)航產(chǎn)品的最終呈現(xiàn)者，用戶一般都是購買的硬件產(chǎn)品，硬件品牌向用戶承諾售后服務(wù)。比如，用戶購買了酷跑品牌的導(dǎo)航機(jī)器，里面內(nèi)置了酷跑道道通的導(dǎo)航電子地圖，售后服務(wù)應(yīng)該由酷跑向用戶提供。這就如同購買了A品牌電腦，無論是硬件還是系統(tǒng)的問題，售后服務(wù)都由A負(fù)責(zé)。

硬件的售后升級又有很多途徑，以酷跑導(dǎo)航為例，有三種途徑：

上硬件官方網(wǎng)站下載升級程序和地圖 。下載后，用新下載的程序覆蓋自己儲存卡中的程序即可。如果升級之后，需要重新激活，可以撥打客服電話重新獲得激活碼。

到代理商處升級，一般酷跑的自有渠道都能夠幫助用戶升級，用戶可以到當(dāng)初購買硬件的銷售渠道處升級。

方法二：到酷跑道道通代理升級服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)升級。

為了方便用戶就地升級，酷跑道道通在主要的大城市都設(shè)立了代理升級服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)。用戶可以直接拿著機(jī)器到指定的代理升級服務(wù)點(diǎn)，升級服務(wù)點(diǎn)在驗(yàn)明是正版導(dǎo)航 系統(tǒng)之后，會幫助用戶進(jìn)行升級。在硬件品牌免費(fèi)升級期內(nèi)的用戶，由代理升級服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)幫助用戶升級，需要收取一定的的代理費(fèi)；

方法三：撥打公司客服電話，寄送光盤升級。

電話咨詢酷跑400客服電話和短信平臺升級，由公司郵寄升級包產(chǎn)品。客服部門代為升級，需要收取一定的費(fèi)用。

國內(nèi)有道道通、凱立德、旅行者、酷跑、城際通、高德、四維、靈圖、易圖通等軟體供應(yīng)商提供。

導(dǎo)航電子地圖 從組成形式上看，由道路、背景、注記和POI組成，當(dāng)然還可以有很多的特色內(nèi)容，比如像是酷跑產(chǎn)品中的3D路口實(shí)景放大圖、三維建筑物等，都可以算做導(dǎo)航地圖的特色部分。從功能表現(xiàn)上來看，導(dǎo)航電子地圖需要有定位顯示、索引、路徑計算、引導(dǎo)的功能。