汽车导航系统

学习目标

1. 能够熟练说明导航系统的功能。

2. 能够熟练说明汽车导航系统的组成及工作原理。

3. 能够正确选用导航系统。

任务分析

汽车导航系统可以改善汽车行驶的安全性及行驶效率， 提高道路通行能力， 有利于缓解车流量、 减缓道路交通堵塞。 这里主要介绍汽车导航系统的功用、 组成、 工作原理、 正确使用、 检修及故障诊断、 排除情况。

基础知识

一、 导航系统的概述

1. 导航系统的功能

驾驶出行往往需要记忆道路、 观看交通标识才能到达目的地， 若进入陌生地域， 则还需要借助交通地图， 甚至还要停车问路。 现代汽车导航系统的应用改善了汽车行驶的安全性及行驶效率， 提高了道路通行能力， 有利于缓解车流量， 平衡交通调度及管制。

从功能上看， 最早的汽车导航系统只具有简单的 “示向” 功能， 它只能显示汽车航行的方向及到达目的地的距离。 目前已发展到比较先进的具有汽车导航功能、 防盗功能、 调度功能、 汽车主要工况的监测报警等功能的综合系统。 从设备上看， 原先只由汽车行驶方向及距离传感器、 CPU、 CRT等组成的小设备， 目前已发展成差分全球卫星定位系统， 建立了具有行车导航、 控制等功能的综合设备。

2. 导航系统的类型

1) 汽车开环和闭环导航系统

汽车开环导航系统是从控制中心或电台、 卫星传感器等得到定位、 方位、 方向等信息，根据这些信息和电子地图可以定出起点到终点最短行驶距离， 但汽车的信息不能返回控制中心。 当某路出现塞车、 交通事故， 桥梁出现断裂等天灾人祸时， 车主是不会知道的， 而汽车出现故障、 被盗等问题时也无法和控制中心联系。

汽车闭环导航系统不但具有开环系统所拥有的导航能力， 而且可以把行车的实时信息不断向控制中心反馈。 控制中心根据掌握的交通及气候等综合信息及时通知汽车应如何行驶， 以便在最短时间到达目的地。 在汽车出现大故障而无法返回或遇到强盗时， 驾驶员也可以向控制中心报告， 而且既可以告诉控制中心出现的问题， 又可随时报告自己的方位，以便营救。

2) 内部信息导航系统

内部信息导航系统主要由电脑、 距离传感器、 方向传感器、 显示屏等组成。 根据所用传感器的不同， 内部信息导航系统分为地磁导航系统和惯性导航系统。

任何汽车导航装置基本的功能就是把汽车的实时位置实时地告诉驾驶员。 距离传感器主要检测距目的地的距离， 方向传感器主要检测汽车要行驶的方向， 这两个传感器的信号通过电脑的数据处理后显示在显示屏上。

(1) 地磁导航系统 (简称汽车导向行驶系统)。 利用地磁传感器可随时测出汽车行驶方向， 距离传感器测出距离， 然后用电脑计算出汽车的行驶轨迹， 及到达目的地的方向、所剩距离等， 并可以在显示器上显示出来， 以达到导航的目的。

(2) 惯性导航系统。 该系统的方向传感器是利用电子陀螺制成的， 其他设备及功能和地磁导航系统相同。

3) 无线电导航系统

无线电导航系统是靠外部的无线电信息进行导航的， 所以又称为外部信息导向行驶系统。 现在绝大多数导航系统都是GPS卫星导航系统。 GPS是G1oba1 Positioning System的缩写， 即全球卫星定位系统 (图6-10)。 它是美国军方耗时20年 (1973—1993年)、 花费1000亿美元于1993年建成的。 该系统由距地面21000km、 在6个轨道面上均匀布置的24颗地球同步卫星组成 (其中有三颗备用)。

图6-10 全球定位系统

二、 GPS导航系统

1.GPS的组成及工作原理

GPS主要由空间部分 (导航卫星)、 地面监控部分、 用户设备 (GPS接收装置) 组成。地面监控部分包括四个监控站、 一个主站和注入站， 全部位于美国境内， 监控部分的主要任务是检测每颗卫星的运行情况， 并通过注入站及时修正卫星的有关参数， 以保证整个GPS能正常运行。 卫星导航系统是随着空间技术的发展而出现的一种空间基准的无线电导航系统。

基本工作原理是从若干地面跟踪站上不断对卫星进行观测。 跟踪站的坐标是已知的，通过观测即可求出卫星的运动轨迹 (卫星轨道)。 因而在任何一个瞬间， 卫星在空间的精确位置是已知的。 将无线电信号发射器装到这些卫星上， 这些卫星便成了已知其坐标的空间无限电发射台， 用户只需用专用无线电信号接收器测定到这些卫星的距离， 即可求出自己的位置。 可见， 空间基准的无线电导航系统和陆地基准的无线电导航系统在导航定位的原理上是相同的。 其差别仅在于在陆地基准的无线电导航系统中， 无线电发射台的位置是固连在地球上的， 其坐标一经测定即可长期使用下去； 而在空间基准中， 无线电发射台的位置将随着卫星的运动而不断变化。 其运动速度一般为每秒若干千米， 它取决于卫星的高度。因而就必须在一个地面卫星跟踪网中不断对卫星进行跟踪观测， 以便确定卫星在空中的精确位置。 用户部分主要是GPS接收器， 它接收卫星发射的信号 (导航电文)， 根据导航电文提供卫星位置和钟差信息计算用户的位置。

导航卫星采用无源工作方式， 凡是有GPS接收设备的用户都可以使用GPS。 确定物体位置可通过测量电波从卫星至接收装置的传播时间来进行计算。 理论上， 当接收装置接收到三颗卫星的信号时， 就可以测出接收装置在地球上的位置坐标 (经度、 纬度和高度)。 但考虑到实际空间存在许多误差因素， 所以通过第四颗卫星来做 “双重检验”， 以清除这些因素的影响。

“差分卫星定位系统” (DGPS) 可提高粗码的定位精度。 其原理是将地面上已被正确测量位置的某一点 (可在一个城市设一个) 作为差分基准点 (图6-11)， 叫作DGPS基准台，用户将所测得的定位目标的位置与DGPS基准台的位置做比较， 随时修正自己的测量误差，可实现准确定位。 此系统可降低用户的使用成本 (用户的GPS接收器的精度不需要很高)。

图6-11 差分卫星定位系统

2.GPS汽车导航系统的组成及工作原理

汽车GPS导航系统由两部分组成， 即安装在汽车上的GPS接收器和计算机控制中心，这两部分通过定位卫星进行联系， 计算机控制中心是由机动车管理部分授权和组建的， 它负责随时观察辖区内指定监控的汽车的动态和交通情况。

GPS卫星发送的导航定位信号， 是一种可供无数用户共享的信息资源。 GPS工作卫星星座建成后， 陆地、 海洋和空间的广大用户， 都可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。 为此， 需要一种能够接收GPS信号的卫星接收设备， 这种设备被称为GPS信号接收器。 接收器接收卫星信号后， 经过微处理器计算出车辆所在的准确位置， 并在显示器上显示出来。

因为使用目的的不同， 用户对GPS信号接收器的要求也各有差异。 接收器主要有静态定位和动态定位两大类型， 两者的主要区别如下。

1) 静态定位

静态定位， 就是接收器在接收GPS卫星信号的过程中位置固定不变。 这样接收器就可以高精度地测量GPS信号的传播时间， 连同GPS卫星在轨道的已知位置， 从而算得接收器的三维坐标， 并准确地显示出接收器的位置。 静态定位的特点是观测量大、 可靠性强、 定位精度高。

2) 动态定位

动态定位， 就是接收器在接收GPS卫星信号的过程中是运动着的。 接收器所在的运动物体叫作载体， 按照载体运行速度的快慢， 又将动态定位分成秒速为几米至几十米的低动态； 秒速为100m至几百米的中等动态和秒速为几千米的高动态三种形式。 接收器实时地测量运动载体的状态参数， 并以图形状态显示出来。 动态定位的特点是逐点测定运动载体的状态参数， 多余观测点少， 精度较低。 从目前动态定位的精度来看， 可以分为20m左右的低精度、5m左右的中等精度、0.5m左右的高精度。 导航和动态定位虽难以严格区分，但导航侧重于引导， 一般它要求测定运动载体的七维状态参数 (三维位置、 三维速度和时间)。 因此， 导航是一种广义的动态定位。

3.GPS信号接收器

GPS信号接收器的种类虽然很多， 但从仪器结构来看， 则可分为天线单元和接收单元两大部分。

(1) 天线单元。 它由接收天线和前置放大器两个部分组成， 也有文献将天线单元称为接收前端。 GPS信号接收器一般采用全向振子天线、 小型螺旋天线和微带天线。

(2) 接收单元。 由信号波道、 存储器、 微处理器、 显控器、 电源组成。

GPS信号接收器一般用蓄电池做电源， 采用器内和器外两种直流电源。 采用12V器内镍镉电池和12V外接蓄电池。 设置器内电池以保证在更换外接电池时供电不中断。 当器外电池下降到11.5V时， 便自动接通器内电池， 器内电池的容量为6.7Ah， 可供3～4h的观测之用； 当器内电池低于10V时， 若没有连接上新的器外电源， 则接收器便自动关机， 以免缩短使用寿命。 在使用器外电池的工作过程中， 器内电池能够自动充电。

4.GPS接收器的选用

GPS接收器应用比较广泛， 型号也非常多。 在选用时应注意下面几个方面。

1) 按用途选用

汽车导航应从导航、 测地和守时三大类中选用导航型。 导航又分静态定位、 动态定位。静态定位器型多用在固定交通或车辆监控中心， 或是差分GPS接收系统中的固定电台部分；动态定位器型一般都安装在相对地球有一定运动速度的载体上。

2) 按精度选用

GPS卫星定位误差主要分为三大类: GPS的自身误差 (包括SA技术所带来的人为干涉误差)， 简称卫星误差； GPS信号传播误差； GPS接收器的误差， 它包括时钟误差和仪器误差， 统称为接收器误差。

一般说的定位精度， 是上述三类误差的综合误差的结果。 用载波相位动态测量原理做成的GPS接收器精度非常高， 可达到厘米级； 用差分卫星定位测量次之， 也达到厘米到米的精度； 单机卫星定位测量精度较差， 一般为1～10m的精度。 用户可以根据自己要求的精度适当选用器型， 否则如单纯追求高精度， 不但对系统的技术参数好处不大， 而且会付出较高的经济代价。 按精度又分为低精度的C/A接收器和双频精码 (P码) 高精度的GPS接收器， 选用时应注意。

3) 按GPS信号器的应用场合选用

按GPS信号器的应用场合不同分为袖珍式、 背负式、 车载式、 船用式、 机载式、 弹载式和星载式七种类型， 用户可根据需要选用。

4) 按载体的运动速度的快慢选用

按载体 (如汽车) 运行速度之快慢， 将动态定位分成秒速为几米到几十米的低运动速度； 秒速为一百米到几百米的中等动态和秒速为几十千米的高动态等几种形式。 用户应根据自己的载体最高运动速度在上述范围之内进行选取。

4) 按GPS定位参数多少选用

按定位参数多少和精度， GPS定位系统分为四星三维和四星六维 (除X、 Y、 Z外， 还应有三维速度)； 三星三维或二维导航法和二星二维导航法， 用户应根据自己的实际需要合理选用。

实施与考核

一、 技能学习

1. 导航系统的故障诊断

以宝来轿车导航系统为例。 宝来轿车的导航系统配备有RDS无线电接收器、127mm (5in) 彩色液晶显示屏、 带有GPS卫星接收器及导航系统的CD-ROM驱动器， 还带有高质量RDS轿车收音机。 该系统不但具有卫星导航功能， 还兼备收音机的功能。

导航收音机系统装备有电子防盗系统， 如果电子防盗保护装置被激活， 当收音机和点火开关打开时， 发光二极管闪亮； 当导航系统接通后，发光二极管熄灭， 表明系统已准备好可以使用。导航系统的结构如图6-12所示。

图6-12 宝来轿车导航系统的结构

1—导航天线连接；2—传感器插座；3—RGB连接；4—多孔插头；5—收音机天线连接

导航系统的故障诊断可以采用V.A.G1551、V.A.G1552和V.A.S5051进行， 检测仪器的连接如图6-13所示。 将检测仪器的插头接到汽车的自诊断接口上， 检查电路保险丝和供电电压正常后打开点火开关， 按 “1” 键选择“快速数据传递” 模式后， 输入导航地址码 “37”， 可对导航系统进行故障诊断和读取故障代码。 宝来轿车导航系统的故障代码与含义如表6-3所示。

图6-13 检测仪器的连接

表6-3 宝来轿车导航系统的故障代码及含义

2. 导航系统的检修

查出导航系统的故障代码后， 按表6-3所列出的故障原因与排除方法进行检修。 在拆装导航系统时应采用厂家提供的专用工具T10057。

将专用工具插入上下四角的狭缝内 (注意方向)， 直到工具被卡住， 拉动专用工具上的圆环， 将收音机/导航系统从仪表板中拉出， 断开连接， 取出部件。 按动侧面的锁止片， 向外将专用工具拉出。

安装时， 先连接插头， 然后将收音机/导航系统直推入组合仪表板， 直到定位于装配框架内。

二、 任务实施与考核

1. 学生完成工作单的填写

每4个学生组合为一组， 各组分别对汽车导航系统进行故障诊断、 排除。 在充分掌握上述知识与技能的前提下， 完成工作单 (在配套教学资源包下载)。

2. 教师完成考核表的填写

学生根据汽车导航系统故障诊断、 排除实训项目填写工作单。 教师根据完成的情况完成考核表 (在配套教学资源包下载)。

思考与练习

1. 汽车导航系统的功用有哪些?

2. 汽车导航系统的组成有哪些?

3. 汽车导航系统的原理如何?

4. 汽车导航系统如何利用仪器进行故障诊断?