摘要：針對車輛在行駛過程中的導(dǎo)航定位問題，實(shí)時(shí)接收車輛的經(jīng)緯度、高度、方向等位置信息的需求，設(shè)計(jì)一款基于GPS的車載導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)以ARM內(nèi)核的微控制器為硬件部分的核心，GPS模塊接收到的衛(wèi)星信號通過串口傳送到開發(fā)板擴(kuò)展的LCD上顯示，在PC機(jī)上使用軟件接收GPS模塊的信息與地圖匹配實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)GPS定位和信息獲取、有良好穩(wěn)定性，滿足車載導(dǎo)航的要求。

關(guān)鍵詞：GPS；車載導(dǎo)航；定位；匹配；GPRS

1 前言

汽車作為現(xiàn)代人出行的代步工具，對車輛的導(dǎo)航定位有更高的要求。隨著人們收入的增加，汽車的銷售量也有所增長，人們選用自駕車的方式出行，需要實(shí)時(shí)獲取相應(yīng)的地理位置和行車路徑，方便駕駛者更快更準(zhǔn)確到達(dá)目的地。進(jìn)入二十一世紀(jì)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，實(shí)現(xiàn)任何物品間信息交換，對物體的跟蹤定位，方便人們實(shí)時(shí)處理突發(fā)情況。隨著各國的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)得到了較好的發(fā)展和應(yīng)用，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）具有全天候、高精度、自動化、高效益等特點(diǎn)，廣泛用于道路、航空、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。本系統(tǒng)基于GPS技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠?yàn)轳{駛者提供連續(xù)、精確的車輛導(dǎo)航定位信息，以STM32F103為主控制器處理從GPS模塊接收到的定位信息，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)把信息傳送到上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)也能夠通過手機(jī)接收汽車相關(guān)的位置信息，車載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅幫助駕駛者準(zhǔn)確、安全地到達(dá)目的地，而且提高了交通運(yùn)輸?shù)男?，對智能化交通的發(fā)展有一定的意義。

2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)圍繞GPS技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，由車載設(shè)備和監(jiān)控終端組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。主控制器負(fù)責(zé)處理GPS模塊接收的定位信息，GPS模塊自動獲取車輛的當(dāng)前位置、行駛速度和時(shí)間等信息，然后使用與地圖匹配的方法，由GPRS模塊負(fù)責(zé)信息的接收和發(fā)送，通過現(xiàn)有的導(dǎo)航軟件為用戶顯示車輛行車地理位置和導(dǎo)航路徑，在車輛發(fā)生異常情況時(shí)車載系統(tǒng)可通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將其位置信息發(fā)送到用戶手機(jī)上，方便駕駛者實(shí)時(shí)了解車輛的安全情況。

3 車載系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 GPS模塊的設(shè)計(jì)

車載系統(tǒng)的GPS部分選用瑞士U-BLOX公司的一款以NEO-6M為模組的第6代GPS接收機(jī)，搭載了高性能的50通道衛(wèi)星接收功能，捕獲追蹤靈敏度為-161dBm，創(chuàng)新的RF架構(gòu)使抗干擾能力更強(qiáng)，同時(shí)還具備慣性導(dǎo)航、自動航跡推算（ADR）和A-GPS等技術(shù)，提供UART，USB，IIC，SPI等多種接口，兼容3.3V/5V單片機(jī)系統(tǒng)。模塊GPS定位的數(shù)據(jù)輸入/輸出標(biāo)準(zhǔn)格式基本上采用美國國家海洋電子協(xié)會制定的NMEA-0183協(xié)議。GPS開啟后，周期性地進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，模塊采用GPRMC的數(shù)據(jù)格式，每行以字符‘$開頭，接著顯示信息類型和數(shù)據(jù)，相鄰數(shù)據(jù)之間用逗號分隔開，一整行的基本格式如下（其中hh為校驗(yàn)和，CR和LF代表回車換行）：

$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh以上各數(shù)字代表了GPS接收的時(shí)間、定位狀態(tài)、經(jīng)度、緯度、速率、航向和日期等信息，其表示的格式，在得到經(jīng)度和緯度后需要進(jìn)行度分秒格式的轉(zhuǎn)換，經(jīng)、緯度的計(jì)算方法相同，以緯度換算為例，如測得的緯度信息為2419.69167，將數(shù)據(jù)整除以100就可直接讀出24度，然后先減去度數(shù)24再乘以60就可直接讀出11分，最后把前面的結(jié)果減去分?jǐn)?shù)11后再乘以60得到就可直接讀出48秒，所以測得的緯度信息經(jīng)轉(zhuǎn)換后為24°11′48″；對于NMEA-0183協(xié)議的校驗(yàn)，通過對命令格式中的“$”到“*”符號之間字符的ASCII碼進(jìn)行異或運(yùn)算得到校驗(yàn)和（hh）；通過了解協(xié)議的內(nèi)容后，可以進(jìn)行代碼的編寫，然后主控器STM32解析GPS模塊接收的數(shù)據(jù)格式，從而獲得GPS定位的各種信息。

3.2 車載設(shè)備硬件與設(shè)計(jì)

載設(shè)備以汽車為載體，包括了主控制器、GPS模塊、GPRS模塊和其他擴(kuò)展模塊等硬件設(shè)備。系統(tǒng)的主控制器模塊選用32位的ARMCortex-M3微控制器STM32F103，其最高工作頻率為72MHz，帶有256K至512K字節(jié)的閃存程序存儲器，多達(dá)112個(gè)I/O口、5個(gè)USART、11個(gè)定時(shí)器和13個(gè)通信接口，具有睡眠、停機(jī)和待機(jī)三種工作模式，保證了低功耗應(yīng)用的要求，其豐富的外設(shè)使這款微控制器適用于各種應(yīng)用場合。GPRS模塊用于將處理好的GPS衛(wèi)星定位信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控終端，并且在擴(kuò)展模塊檢測到異常的時(shí)候把信息發(fā)送到用戶的手機(jī)上，實(shí)時(shí)對汽車進(jìn)行調(diào)度管理。

4 車載系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 GPS導(dǎo)航定位的設(shè)計(jì)

4.1.1 GPS定位精度

由于GPS模塊獲取衛(wèi)星定位信息時(shí)，衛(wèi)星運(yùn)行軌道和時(shí)鐘等存在誤差，各種自然因素對衛(wèi)星信號的影響，還有SA技術(shù)的影響，使得GPS的定位精度只有100m，本系統(tǒng)使用偽距差分將GPS定位精度提高至3m-10m。偽距差分是通過已知的基準(zhǔn)站坐標(biāo)和衛(wèi)星星歷，求得衛(wèi)星到基準(zhǔn)站之間距離精確值后與基準(zhǔn)站偽距值求差，得到的差分修正值傳送至流動臺對衛(wèi)星偽距觀測值進(jìn)行修正再單點(diǎn)定位，其中基準(zhǔn)站與流動臺可相距200km-300km。

4.1.2 GPS定位與地圖匹配

車載系統(tǒng)中GPS模塊接收到定位信息以后，將帶有一定誤差的GPS位置信息與電子地圖進(jìn)行匹配，最終以圖像的形式與用戶進(jìn)行交互，確定車輛在地圖上的位置，地圖匹配算法流程圖。

4.2 車載系統(tǒng)經(jīng)過對定位信息的處理

首先對GPRS模塊進(jìn)行初始化，然后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控終端通信，終端對接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和處理，為用戶顯示出車輛的導(dǎo)航路線與定位信息。GPRS模塊選用的是SIMCOM公司的一款GSM/GPRS芯片SIM900A，內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議，使用AT命令可以簡單的與終端進(jìn)行TCP連接。

5結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的車載系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了對行駛車輛的定位信息獲取和顯示，采用偽距差分方法提高定位精度，通過地圖匹配和地圖匹配算法將最佳路徑在地圖上表示并供駕駛者參考，使得系統(tǒng)整體的導(dǎo)航定位可靠性提高。系統(tǒng)基于GPS技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)，通過系統(tǒng)的其他擴(kuò)展模塊，不僅實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)車輛地理位置的遠(yuǎn)程通信，智能獲取車輛環(huán)境的各種信息，為駕駛者提供良好、舒適的駕駛體驗(yàn)，具有一定的市場價(jià)值。

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（作者身份證號：130281198810220510）

作者簡介：張國龍，1988年生，男，漢族，河北省遵化市，大專學(xué)歷，助理工程師，主要研究車載多媒體影音系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。