汽车GPS卫星导航系统组成

汽车GPS（Global Positioning System，全球卫星定位系统）导航是借助GPS及车载电子地图，在电子地图上给驾驶人规划出到达目的地的最佳行车路线，并配有专业导航语言及文字导航信息，引导驾驶者正确驾驶至目的地。汽车GPS导航系统主要由GPS接收天线、GPS接收机、导航ECU、可视显示器及位置检测装置等组成，如图6-17所示，GPS车辆营运管理系统结构示意如图6-18所示。

GPS导航系统在车上的安装位置如图6-19所示。绝对位置的检测采用GPS，相对位置的检测采用方向传感器，并利用车轮转速传感器根据汽车转弯时方向上的变化，测量车辆的行驶距离。其原理框图如图6-20所示。罗盘传感器通过检测地球的磁场，确定汽车的行驶方向；光纤陀螺仪通过测定汽车转弯速度，确定汽车行驶方向。

GPS导航系统包括三大部分：空间部分——卫星及星座，地面控制部分——地面监控系统，用户设备部分——GPS信号接收机。

图6-17 汽车GPS卫星导航系统的组成

图6-18 GPS车辆营运管理系统结构示意图

图6-19 汽车GPS导航系统在车上的布置

(www.xing528.com)

图6-20 汽车电子导航系统原理框图

1.卫星及星座

GPS导航系统由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座，均匀分布在21000km的6条地球同步轨道上，每12h绕地球转一周，如图6-21所示，轨道倾角55°，各个轨道平面之间相距60°，即轨道的升交点赤经各相差60°。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90°，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30°。卫星搭载原子时钟，所有卫星的时刻同步。根据卫星发送的轨道信息、时间信息以及接收电波所花费的时间，通过准确计算就可以提供全球范围内任一物体的位置和速度信息。它的精确度目前已不超过10m。为了提高精确度，美国国防部又增加4颗卫星，使卫星总数达到28颗，但精确度提高到至多7m。

图6-21 GPS卫星配置图

2.地面监控系统

对于导航定位来说，GPS卫星是一个动态已知点。卫星的位置是依据卫星发射的星历（描述卫星运动及其轨道的参数）算得的。每颗GPS卫星所播发的星历是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是使各颗卫星保持处于同一时间标准——GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，计算出时钟差后由地面注入站发给卫星，卫星再用导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括1个主控站、3个注入站和5个监测站。主控站采集数据，编辑导航电文，控制和协调、调整卫星；3个注入站分别设在大西洋、印度洋和太平洋的3个美国军事基地上接收主控站编辑的卫星电文，并将其注入飞越其上空的各个卫星，然后由GPS卫星发送给广大用户；5个监测站分布在主控站和3个注入站，以及夏威夷岛，可对每颗卫星进行观测，通过注入站及时修正卫星的有关参数，并向主控站提供观测数据。

3.GPS信号接收机

GPS信号接收机的任务是：捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出观测点的三维位置，甚至三维速度和时间。接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件。观测时，将天线单元安置在观测站上，接收单元置于观测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。也有的接收机中将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在观测点上。