汽车加装北斗卫星导航系统，提升车辆电子技术

请查看相关车型车辆维修手册，完成以下工作表。

一、工作表：加装北斗卫星导航系统

加装北斗卫星导航系统实例

二、参考信息

（一）导航系统概述

导航系统是指具有全球卫星定位功能的车用工具，并且利用语音提示的方式引导驾驶员开车。目前，中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System ，BDS）和美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯（GLONASS）、欧盟伽利略定位系统（Galileo Positioning System）是联合国卫星导航委员会已认定的全球卫星导航系统四大核心供应商。

GPS最初是由美国国防部开发的用于军事目的的一种系统。将这个系统民用时，采取了一种特殊的方法将发送的定位用卫星数据的准确度故意降低了。这种方法就是通过随机数字发生器来将干扰信号混入卫星的无线信号中。同时发送的用于军事目的的准确数据都带有密码，民用的GPS接收器无法将这些数据解码。因此，这种方法就使民用的卫星数据定位精度为3～10 m。GPS单机导航精度约为10 m，若综合定位，精度可达厘米级和毫米级，但民用领域开放的精度约为10 m。GPS可以提供车辆定位、防盗、反劫、行驶路线监控及呼叫指挥等功能。要实现以上所有功能，就必须具备GPS终端、传输网络和监控平台3个要素。

北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设运行的全球卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要时空基础设施。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段3部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠性的定位、导航、授时服务，并且具备短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度为分米、厘米级别，测速精度为0.2 m/s，授时精度为10 nm。北斗卫星导航系统秉承“中国的北斗、世界的北斗、一流的北斗”发展理念，愿与世界各国共享北斗卫星导航系统建设发展成果，促进全球卫星导航事业蓬勃发展，为服务全球、造福人类贡献中国的智慧和力量。北斗卫星导航系统为经济社会发展提供重要的时空信息保障，是中国实施改革开放以来取得的重要成就之一，是中国贡献给世界的全球公共服务产品。

格洛纳斯（GLONASS）是俄罗斯版本的GPS。它由24颗卫星组成，精度在10 m左右，为军、民两用。它是苏联在1976年启动的项目，历经20多年的曲折历程，虽然曾遭遇了苏联解体，俄罗斯经济不景气，但人们始终没有中断过该系统的研制和卫星的发射，终于在1996年1月18日实现了空间满星座24颗工作卫星正常地播发导航信号。格洛纳斯也和美国的GPS一样，由21颗工作星和3颗备份星组成。

伽利略定位系统是欧盟的卫星定位系统，有“欧洲版GPS”之称，也是继美国现有的GPS及俄罗斯的格洛纳斯外，第三个可供民用的卫星定位系统。该系统于1999年启动，一共由30颗卫星组成，其中有27颗工作星、3颗备份星。2019年7月14日，伽利略定位系统技术故障导致部分导航服务中断，2019年8月18日恢复正常。伽利略系统的基本服务有导航、定位、授时；特殊服务有搜索与救援；扩展应用服务有飞机导航和着陆系统、铁路安全运行调度、海上运输系统、陆地车队运输调度、精准农业。

（二）北斗卫星导航系统介绍

1994年，我国启动了北斗一号系统工程建设，踏出了建设中国卫星导航系统的第一步。

GPS并不特指美国的卫星导航系统，我国的北斗卫星导航系统也是一套GPS，只不过美国是全球第一个建成这个系统的国家，美国也没有额外再起一个名字，因此，久而久之，人们就习惯把美国的卫星导航系统称为GPS。

北斗卫星导航系统的历史可以追溯到20世纪80年代，那时美国GPS的第一颗卫星上天时间并不长，这充分说明在高科技领域，我国一直在努力追赶世界潮流。1983年，“863计划”的倡导者之一，“两弹一星”元勋陈芳允院士提出了“双星定位”建设方案，就是把地心视为一颗虚拟卫星，再发射两颗静止轨道通信卫星，配合地面高度坐标，实现对区域内地面目标的快速定位。

1989年，我国使用通信卫星验证了这套方案的可行性，为之后的北斗卫星导航试验系统打下了技术基础。相比于美国GPS的四星定位方案，陈芳允院士的方案更加适合我国，它能以最小的星座、最小的投入以及最短的建设周期建成我国自己的卫星导航系统。

从2000年北斗一号，也就是北斗卫星导航试验系统建成以来，北斗卫星导航系统已经发展到了北斗三号，拥有48颗在轨卫星，成功升级为全球卫星导航系统。而且作为后起之秀，我国的北斗卫星导航系统在定位精确度上已经完全不输于美国的GPS。根据公开资料，在全球公共服务上，北斗卫星导航系统与美国GPS的定位精度相差不大，都是2～3 m，但是在军用领域，我国的北斗卫星导航系统的定位精度可以达到0.1 m，而GPS的定位精度是0.3 m。

北斗卫星导航系统自提供服务以来，已在交通运输、农林渔业、水文监测、气象测报、通信授时、电力调度、救灾减灾、公共安全等领域得到广泛应用，服务国家重要基础设施，产生了显著的经济效益和社会效益。基于北斗卫星导航系统的导航服务已被电子商务、移动智能终端制造、位置服务等厂商采用，广泛进入中国大众消费、共享经济和民生领域，应用的新模式、新业态、新经济不断涌现，深刻改变着人们的生产生活方式。中国将持续推进北斗卫星导航系统应用与产业化发展，服务国家现代化建设和百姓日常生活，为全球科技、经济和社会发展做出贡献。

（1）发展历程。20世纪后期，中国开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路，逐步形成了三步走发展战略：到2000年年底，建成北斗一号系统，为中国提供服务；到2012年年底，建成北斗二号系统，为亚太地区提供服务；到2020年，建成北斗三号系统，为全球提供服务。

（2）发展目标。建设世界一流的卫星导航系统，满足国家安全与经济社会发展需求，为全球用户提供连续、稳定、可靠的服务；发展北斗产业，服务经济社会发展和民生改善；深化国际合作，共享卫星导航发展成果，提高全球卫星导航系统的综合应用效益。

（3）建设原则。中国坚持“自主、开放、兼容、渐进”的原则建设和发展北斗卫星导航系统。

① 自主。坚持自主建设、发展和运行北斗卫星导航系统，具备向全球用户独立提供卫星导航服务的能力。

② 开放。免费提供公开的卫星导航服务，鼓励开展全方位、多层次、高水平的国际合作与交流。

③ 兼容。提倡与其他卫星导航系统开展兼容与互操作，鼓励国际合作与交流，致力于为用户提供更好的服务。

④ 渐进。分步骤推进北斗卫星导航系统建设发展，持续提升北斗卫星导航系统服务性能，不断推动卫星导航产业全面、协调和可持续发展。

（4）远景目标。2035年前还将建设更加完善、更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系。

（5）基本组成。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段3个部分组成。

① 空间段。北斗卫星导航系统空间段由若干地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星等组成。

② 地面段。北斗卫星导航系统地面段包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站，以及星间链路运行管理设施。

③ 用户段。北斗卫星导航系统用户段包括北斗卫星导航系统兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，以及终端产品、应用系统与应用服务等。

（6）发展特色。北斗卫星导航系统的建设实践，走出了在区域快速形成服务能力，逐步扩展为全球服务的中国特色发展路径，丰富了世界卫星导航事业的发展模式。

（三）GPS 导航技术

1.车载GPS导航系统的功能

（1）导航功能。使用者在车载GPS导航系统上任意标注两点后，GPS导航系统便会自动根据当前的位置，为车主设计最佳路线。有些车载GPS导航系统还有修改功能，假如用户不小心错过路口，没有走车载GPS导航系统推荐的最佳路线，车辆位置偏离最佳路线200 m以上，车载GPS导航系统会根据车辆所处的新位置，重新为用户设计一条回到主航线的路线，或为用户设计一条从新位置到终点的最佳路线。

（2）电子地图。车载GPS导航系统都配备电子地图，一般覆盖全国各大省会城市。功能强大的地图系统还包含中小城市的电子地图，城市数目达到近400个，可以随时查看目的城市的交通、建筑等情况。

（3）转向语音提示功能。如果前方遇到路口需转弯，车载GPS导航系统会进行语音提示，这样可以避免车主走弯路。此外，车主可以查阅街道及其周围建筑物，车载GPS导航系统甚至可能具有一些城市交通中的单行线、禁左、禁右等路况信息供查阅。

（4）定位功能。车载GPS导航系统通过接收卫星信号，准确地定出车辆所在的位置。如果装置内带有地图的话，就可以在地图上相应的位置用一个记号标记出来。同时，车载GPS导航系统还可以显示方向、海拔高度等信息。

（5）测速功能。通过对卫星信号的计算，车载GPS导航系统可以测算出车辆行驶的具体速度。

（6）显示航迹。如果去一个陌生的地方，车载GPS导航系统带有航迹记录功能，可以记录用户车辆行驶经过的路线，误差小于10 m，甚至能显示两个车道的区别。回来时，用户可以启动车载GPS导航系统的返程功能，在它的带领下顺着来时的路线返回。

（7）信息检索功能。根据情况使用车载GPS导航系统的信息检索功能，可快速地将待查地点显示在画面上。

（8）娱乐功能。车载GPS导航系统可以接收电视信号、播放娱乐光盘等。

2.车载GPS导航系统的结构与工作原理

车载GPS导航系统的定位原理如图7-1所示。内置的GPS天线接收来自环绕地球的24颗GPS卫星中至少3颗卫星所传递的数据信息，由此测定汽车当前所处的位置。车载导航仪内部装有储存大量电子地图信息的CD-ROM，通过GPS卫星信号确定的位置坐标与此匹配，便可确定汽车在电子地图中的准确位置。

图7-1　车载GPS导航系统的定位原理

车载GPS导航系统主要由电子计算机、方位检测设备、电子道路数据及显示器组成，如图7-2所示。车辆前座中央有显示器，可显示道路地图和其他有关交通信息，其数据由CD-ROM提供。车的前、后部各装有GPS接收天线，GPS接收器装在行李舱内，地磁传感器装在车顶，在车轮上装有车速传感器，在转向机构上装有转向角传感器等。有关信息经导航微处理器统一管理，通过显示器显示汽车导航。

图7-2　车载GPS导航系统的组成和布置

车载GPS导航系统可为一辆以上的车辆提供其在地球表面上的导航，它可在任一给定时间内精确确定车辆在道路网中的位置。车载GPS导航系统可从以下3个基本的信息源获得数据。

1）GPS接收器

GPS接收器安装在车上，接收多达11颗卫星的信号。这些信号用来精确确定车辆的位置，但它可能遭受偶然的干扰，如坏天气影响、隧道和建筑物遮挡、超宽带无线电通信干扰等，为此通常采用航位推算导航（如惯性传感器）或辅助定位技术作为GPS信号丢失时的补偿，以使车载GPS导航系统功能连续。(https://www.xing528.com)

2）车载传感器

车载传感器通常包括测量转弯速率的陀螺仪、输出电子速度脉冲的测速计以及测量方向的罗盘。这些数据被用来进行航位推算，以便确定车辆相对道路的运动。

汽车行驶路径的方向和位置通过装在车上的车载传感器检测，地磁传感器和转向角传感器决定汽车行驶方向，车速传感器决定汽车行驶的距离。

（1）地磁传感器。地磁传感器感应元件是在高导磁性材料制成的磁环上绕制励磁绕组，绕组在X和Y两个正交方向上，每个方向各绕两个检测线圈（共4个）。无地磁场作用，检测线圈不产生电动势，有地磁场作用则产生电动势。地磁方向与检测线圈方向夹角不同，检测线圈产生的电动势也不同，这样就可以确定汽车的行驶方向。图7-3所示为地磁传感器导向原理和导向系统电路简图。

（2）陀螺仪。陀螺仪根据其测定元件的不同分为惯性陀螺仪、气流陀螺仪和光纤维陀螺仪。

① 惯性陀螺仪。高速旋转体不受外力作用时，其轴线方向固定。陀螺由轴承悬浮成球形支撑在汽车车身上，汽车以一定横摆角速度转向，相当于在陀螺上作用了另一个旋转运动，产生了科氏惯性力，利用科氏惯性力的大小和方向可以计算出汽车的行驶方向。

② 气流陀螺仪。气流陀螺仪是利用气泵喷嘴喷出稳定的氮气流对两根热线的冷却作用的差异来测量汽车行驶方向的改变。其结构原理示意如图7-4所示。汽车直线行驶时，喷出的氮气流与两根热线平行，散热能力相等，两线无温差。当汽车转向时，由于喷出氮气流的惯性，氮气流对两根热线的冷却作用不同，测量两根热线的温差便可以计算出汽车转角。

③ 光纤维陀螺仪。图7-5所示为光纤维陀螺仪检测原理示意。光从光纤维线圈A点入射，经向左、向右方向回转传播，光程相同时，两方向同时经过一个周期到达输出的B点。当光纤维线圈有向右旋转的角速度ω时，则从A点入射的同一周期左、右方向传播的光程不同，右回转传播光程长，比较左回转传播光程，两者相差一定角度。在原输出B点测量两方向传到的光相位不同，测定两光干涉的强度，可以确定两方向光的传播时间差（相位差），从而计算出光纤维线圈（汽车）的转向角速度ω。

图7-3　地磁传感器导向原理和导向系统电路简图

图7-4　气流陀螺仪结构原理示意

l—气泵；2—气流；3—热线；4—振荡器；5—电阻；6—放大器；A—传感器；B—信号处理电路

图7-5　光纤维陀螺仪检测原理示意

3）导航地图数据库

通过GPS接收器和车载传感器所采集到的数据，利用地图匹配进行处理，与存储在数字地图（GIS）数据库中的地形数据进行比较。最后，对来自这些信息源的所有信息都要进行运算，以便实现定位。采用这些技术的组合可使车载GPS导航系统定位精度达到米级。

以航空测量出的地形道路图为基础，将地图涵盖范围按一定比例划分成若干个区域，每个区域上标明道路走向和道路管理的相关信息。如日本按每区域纵横约80 km（经度为1°，纬度为40′）划分成一次网络，每个方向划分为纵横约10 km的二次网络和进一步以纵横各约1 km范围的三次网络（组成全国道路地图数据）。日本约有39万个属于三次网络的区域。

CD-ROM数据库存储有各种道路属性的数据（路面、路标、桥隧等）、基本道路地图数据。根据汽车行驶所处的位置（经、纬度）坐标，手动操作或接收车外信息表示该车现处位置的方法，显示相应需要的地图数据。

当汽车按计算机引导路径接近某一交通信标（或装有信号反射的交通灯）时，计算机将当地的详细地图在显示器上显示，再指示要到达目的地的最佳路径。作为汽车信息通信系统（Vehicle Information Communication System，VICS）的路上通信装置，人们目前正在研究其实际应用。

地图的微调导航法是对位置确定、导航传感器和地图与实际道路重合所导致的积累误差的及时补偿。它将导航到达的轨迹与显示器上道路地图指示的行车道路形状比较，在形状以高概率相符的地图道路上自动修正汽车位置和方向。

地图的微调导航包括车辆位置修正、多路径追迹和距离偏离补偿。

4）导航功能的使用

（1）导航地图界面。导航地图界面如图7-6所示。

图7-6　导航地图界面

1—主菜单：触按进入主菜单界面；2—当前位置：显示车辆现在所处的位置；3—状态栏：触按展开状态栏信息；4—返回：返回音响系统主界面；5—路况开关：触按打开实时路况；6—视图模式：触按可切换为2D正北向上/2D车头向上/3D车头向上3种模式；7—比例尺：可放大或缩小地图显示比例；8—目的地：触按可对目的地进行捜索和导航设置

（2）导航模式界面。导航模式界面如图7-7所示。

图7-7　导航模式界面

1—下个路口距离和道路名称：显示到达下个路口的剩余距离及下个路口道路名称；2—车道信息：显示当前车辆位置的车道信息；3—导航状态栏：触按展开状态栏信息；4—前方道路名称：显示即将进入道路的名称；5—鹰眼地图路况及进度：显示导航路线的道路状况及导航进度；6—鹰眼地图+全程概览：显示全程导航路线的缩略图；7—剩余里程和时间：显示距离目的地的剩余距离和剩余时间；8—转向箭头：显示下个路口的行进方向

（3）开启导航功能。在导航界面触按显示屏上的屏幕按键进入导航界面主菜单，导航界面主菜单如图7-8所示。

（4）设置目的地。用户可通过捜索POI（兴趣点）、捜索名称、快捷导航、收藏点等方式进行目的地设置，下面以搜索名称为例介绍设置目的地的步骤。

步骤1：在地图模式界面触按“目的地”按钮，进入搜索界面，如图7-9所示。

步骤2：在搜索界面输入目的地并触按“搜索”按钮，进入目的地搜索结果界面，如图7-10所示。

图7-8　导航界面主菜单

1—返回：触按进入地图模式界面；2—登录：在车机端连接网络时，可进行登录，登录后可与手机端导航信息同步；3—收藏夹：触按进入收藏夹界面，可通过收藏夹快捷导航；4—离线数据：触按进入离线数据界面，可对离线数据进行管理；5—设置：触按设置界面，可对路线规划、声音播报、地图显示等进行设置；6—我的爱车：触按进入我的爱车界面，可对我的爱车进行管理；7—我的消息：触按进入我的消息界面，可对我的消息进行查看管理

图7-9　在地图模式界面触按“目的地”

图7-10　目的地搜索结果界面

步骤3：选择要去的目的地，触按“去这里”按钮进入路径规划界面，如图7-11所示。

步骤4：在路径规划界面进行多条路线规划后触按“开始导航”按钮即可开始导航，如图7-12所示。

导航功能的使用

注：连网可显示收费信息。

图7-11　路径规划界面

图7-12　开始导航界面