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1、GPS在汽车导航和交通管理中的应用研究 海 南 大 学 课程论文 论文题目：GPS在汽车导航和交通管理中的应用研究 学院： 机电工程学院 系别： 汽车工程系 专业班级： 姓名： 学号： 指导老师： 撰写时间 2012年5月 摘 要GPS是全球定位系统（global positioning system）的英文缩写，它是随着现代化科学技术的发展而建立的新一代精密卫星定位系统。GPS由三大子系统构成：空间卫星系统、地面监控系统、用户接收系统。 GPS最大的一个民用市场就是汽车导航系统。本文将从GPS的基本情况和发展现状出发，对其在导航和现代交通管理中的作用做深入研究。关键词：GPS GPS结构原理

2、 汽车导航 交通管理 GPS市场发展现状 Abstract GPS is global positioning system (global positioning system) of the English abbreviation, it is with the development of modern science and technology to establish a new generation of precise satellite positioning system. GPS consists of three subsystems: space satellite

3、 system, monitoring system, the user receiving system. GPS is one of the largest civil market is car navigation system. This article from the GPS the basic situation and the development present situation, the navigation and the modern traffic management function to do in-depth study. Key words:GPS S

4、tructure principle vehicle GPS Traffic control GPS Market Development1 绪论 .4 2 汽车导航系统（GPS）.4 2.1 GPS导航及其原理.4 2.2 汽车导航系统组成.5 2.3 GPS在汽车导航和交通管理中的应用.73 现有的汽车导航（GPS）的市场规模和水平.9 3.1 我国汽车导航（GPS）发展历史.9 3.2我国汽车导航（GPS）市场现状.104 GPS后装导航市场.125 GPS的未来.136总结.14参考文献.14致谢.14 1 绪论 GPS全部意义为导航卫星测时与测距/全球定位系统，英文全称Navigat

5、ion Satellite timing and ranging /Global positioning System。 GPS是美国的第二代卫星导航系统，它利用同时收到四颗星的信号，可得到所测目标的位置和速度，以及时间。而且同时可以有无限个用户使用，全天候地实现全球导航、定位和授时1。汽车GPS导航系统主要由两部分组成，一部分是由安装在原车上的GPS接收机和显示设备组成；另一部分是由计算机控制中心组成。当前GPS应用市场最红火的是车辆导航、消费产品和跟踪监控，尤其以车辆导航所占份额为最多。2010年，中国乘用车产销1389.71万辆和1375.78万辆，同比增长33.83%和33.17%。其

6、中中国汽车后装导航市场（车载GPS、便携式GPS）的主要目标市场-狭义乘用车基本型乘用车（轿车）产销量分别完成957.59万辆和949.43万辆，同比增长28.17%和27.05%，持续增长的汽车市场为GPS市场容量的扩大创造了条件。2 汽车导航系统（GPS）2.1 GPS导航及其原理 全球定位系统（GPS）是分布在与地球赤道为55的6个轨道面上的24颗卫星（21颗工作星，3颗备份星）组成的。其运行周期为1小时58分，轨道平面高度为20200km。这样的分布是为了保证每天出现在地平线上的卫星数目在411颗左右（但最多不超过12颗）。见图1。 图1 GPS卫星星座图 GPS卫星播放的信号有：载波

7、信号（其频率为L1=1575.42MHz,L2=1227.60MHz)、P码、C/A码、导航电文等。汽车导航接收的是C/A码，其码长为1023bit，码宽为0.97752s,一个周期码长为299.79km。C/A码有1023种不同结构，它可以使不同卫星采用不同结构的C/A吗。根据三角学测量定位原理，原则上测量三颗卫星的距离就可以定位了，但此时的卫星于接收机很难保持同步。所以我们把接收机钟差也作为一个未知数，与其他的测量坐标数据一并求解。这样在一个观测点就需求解四个未知数（三个点坐标和一个钟差），也就是同时要观测到4颗卫星的数据。见图2。 图2 卫星定位原理图 2.2 汽车导航系统组成 汽车导航

8、系统主要是近代信息技术、数据通信技术、自动控制技术等通用电子技术，向汽车电子领域的总成。他的构成主要有GPS导航、自律导航、微处理器（MPU或DSP）、DVD ROM驱动器、TFT LCD显示器、地图匹配器、以及电子地图数据库等相应的软件。见图3。 图3 构成汽车导航系统的方框图2.3 GPS在汽车导航和交通管理中的应用 S卫星信号（三颗以上），求出该点的经纬度坐标、速度、时间等信息。为了提高汽车导航定位精度，通常采用差分GPS技术。当汽车行驶到高速公路、地下隧道、高层楼群等遮掩物而搜索不到GPS卫星信号时，系统可自动导入自律导航系统，这时由车速传感器检测出汽车的行进速度，通过微处理单元的数据

9、处理，从速度和时间中直接计算出行进的距离，陀螺传感器直接检测出前进的方向，陀螺仪还可自动存储各种数据，即使在因更换轮胎等原因暂时停车时，系统也能够重新设定。由GPS卫星导航和自律导航所测到的汽车位置坐标数据、行进的方向都会与实际行驶的路线轨迹存在一定误差，为了修正这两者的误差，与地图上的路线统一，需要采用地图匹配技术，加一个地图匹配电路，对汽车行驶的路线和电子地图上道路误差进行实时相关匹配，自动修正，这时地图匹配电路是通过微处理单元的整理程序进行快速处理，得到汽车在电子地图上的准确位置，以指示出准确行驶路线。CD-ROM用于存储道路数据等信息，LCD显示器用于显示导航的相关信息。GPS导航系统

10、与电子地图、无线电通信网络和计算机车辆管理信息系统相结合，可实现车辆跟踪与交通管理等诸多功能，这些功能主要有以下几个方面。见图4。 图4 海口交通智能指挥中心 （1）车辆跟踪：通过车载GPS接收机，使驾驶员能够随时知道自己的具体位置。通过车载电台将GPS定位信息发送给调度指挥中心，调度指挥中心便可随目标移动，及时掌握各车辆的具体位置，并在大屏幕电子地图上显示出来，还能实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪。利用该功能可对重要车辆及货物进行跟踪运输，能促进交通管理及物流事业的快速发展。 （2）话务指挥：指挥中心能够监测区域内车辆运行状况，对被监控车辆进行合理调度。指挥中心还能随时与被跟踪目标通话，进

11、行实时管理。（3）紧急援助：通过GPS定位及监控管理系统能够对发生事故或遇有险情的车辆进行紧急援助。监控台的电子地图显示报警目标和求助信息，规划最优援助方案，并以报警声光提醒值班人员进行应急处理。（4）信息查询：为用户提供主要物标，如旅游景点、宾馆、医院等数据库，用户可以在电子地图上根据需要进行查询。查询的资料能以文字、语言和图象的形式显示，并在电子地图上显示其位置。同时，监测中心能够利用监测控制台对区域内的任意目标所在位置进行查询，车辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图上显示出来。（5）提供出行路线规划和导航：提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要辅助功能，它包括人工线路设计和自动线路规

12、划。人工线路设计是由驾驶者根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等，自动建立线路库。自动线路规划是由驾驶者确定起点和目的地，由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线，包括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的路线等的计算。线路规划完毕后，显示器可在电子地图上显示设计线路，并同时显示汽车运行路径与运行方法。见图5。 图5 车用GPS导航器 GPS技术在汽车导航和交通管理工程中的研究和应用目前在中国还处于起步阶段，而国外在这方面的研究早就开始并已取得了一定的成效。加拿大卡尔加里大学设计了一种动态定位系统，该系统包括一台捷联式惯性系统，两台GPS接收机和一台微机，能测定已有道路的线形参数

13、，为道路管理系统服务。美国研制了应用于城市的道路交通管理系统，该系统利用GPS和GIS建立道路数据库，在数据库中包含有各种现时的数据资料，如道路的路面状况、准确位置、沿路设施等，该系统于1995年正式运行，为城市道路交通管理发挥了重要作用。近年来，国外研制了各种应用于车辆诱导的系统，其中车辆位置的实时确定以往主要依据惯性测量系统以及车轮传感器，随着GPS的发展及其所显示出的优越性，有取代前两种方法的趋势。用于城市车辆诱导的GPS定位一般是在城市中设立一个基准站，车载GPS实时接收。基准站发射的信息，经过差分处理便可计算出实时位置，把目前所处位置和所要到达的目标在道路网中进行优化计算，就能在道路

14、电子地图上显示出到达目标的最优化路线，为公安、消防、急救、抢修等车辆服务。3 现有的汽车导航（GPS）的市场规模和水平3.1我国汽车导航（GPS）发展历史从九十年代初期开始，至今有七、八年的时间，我国GPS车辆跟踪系统应用走过了极其起伏而缓慢的发展道路。经历了几起几落的艰难里程。199495年间是第一波，当时有成十上百家公司都来抢占GPS车辆跟踪系统市场，其中也不泛有几家具备经济实力的公司，但真正成功者不多。究其原因不外乎两个，一是市场尚未形成，用户还没有迫切需求；二是技术途径尚不完善，做成的大多是实验室内刚出笼的，还达不到商品化程度。鉴于上述原因，车调产品一直上不了量，成不了规模。致使从事车

15、调系统的公司绝大多数造成亏损，不少公司只好退出这个行业。估计总投入三、四千万元，装车约300辆，但实际投入运行的却不多。 【3】 199698年期间，正是GPS车辆跟踪系统市场的整顿、巩固、充实、提高时期，在对原有的不良系统进行改造的同时，也有新的系统在相继出现，还有多个具有水平的集群系统出现。从而在三、四十个城市建成了金融车辆和公安车辆跟踪系统，装车总量约为三千辆左右，耗资近一个亿。1999年2000年GPS车辆跟踪系统市场又出现了新的一波，出现了快速增长的势头，此时的市场逐步趋于成熟，我国的GPS车辆跟踪系统的技术有了较大的提高与发展，作为系统的卡脖子问题的通信网络通过采用GSM公众网的短

16、信息服务找到了新的出路，这对上档次上规模无疑是大有益处的。问题是市场上真正成为工业化的产品不多，而且有一些急于求成的公司把不大成熟的产品推向市场，对GPS车辆跟踪系统市场造成一定的负面影响。在此同时，原先的常规网和集群网经过多年的历炼，系统与车台产品日趋成熟，取得了较好的业绩，突破了前几年每个网络仅仅容纳数十辆车或数百辆车的规模，达到上千辆，甚至数千辆的规模，至2000年底估计全国累计有近300个左右车辆跟踪网络，入网车辆为56万辆。如果有关部门和公司能紧密配合，促进GPS车辆跟踪系统市场的有序发展，把它从特种车辆应用扩展到私家车辆和公众车辆应用，特别是长途运输车辆的应用，则在未来的几年之内每

17、年能达到10万辆车以上的装车量完全是可能的，每年的相关产值有可能达到710个亿。 值得指出的是，在GPS车辆跟踪系统上，我国在应用面和规模上在国际上居于领先地位，但是从系统的技术水平和产品的质量和成熟程度来说，我们还处在往上发展时期，仅仅为一般水平。 我国GPS行业及其车辆应用系统迟迟不能发展上面已讲述了很多，现在的唯一出路是摆脱小作坊式的传统的小而全的小农经济的工作模式，各个公司各自实现正确的市场定位，进行行业的分工协作，分清研究开发、生产制造、系统集成、信息服务这一产业链上中下游自己所能扮演的角色，发挥自己的专长，推动行业的大联合。促进集约化生产，走产业化发展之路。 【4】3.2我国汽车导

18、航（GPS）市场现状 GPS是现代高新技术实现军民两用的一个成功范例。GPS已逐步演变为一种世界性的高新技术产业。在GPS应用领域中，车辆应用所占的比重在各项应用中数它最大，约占总数的50以上。GPS车辆应用系统一般分为两大类：车辆跟踪系统和车辆导航系统。 从我国的情况来看，GPS车辆导航系统则不如车辆跟踪(定位监控)系统市场来得成熟，发展还处在初始阶段。我国车辆导航系统最早(1998年)由易可达公司推出的一款简易机，产了300套。后来京惠达公司在笔记本PC机上做过一款，也未形成批量。近几年，四维公司、大通公司和鞍山科信、南大善邻、西安东强、上海卫导与三吉等公司通过与国内外多种合作或引进或独立

19、研制，都做了大量的工作，取得了一定的成果和进展，但均未达到实现全面的工业化产品阶段，并能进行批量生产的程度。而国内几家大汽车厂，如一汽、二汽、上海大众与通用等均有在豪华轿车或普通轿车上将GPS导航系统作为标准配置的打算和行动，估计正式启动后，在近23年内每年都可能有几万套(35万台)的需求量。从发展趋势看，3年后超过十万套完全是可能的。“十五”期间累计量可能达到50万套，随后便是高速发展期，出现35年的成倍年增长率5。根据赛迪顾问统计的数据显示。2006-2009年，我国的GPS前装导航市场经历了一个稳定的发展。在汽车整车销售所占的比例呈现大幅度上升。但是所占比例还是普遍较低。但随着汽车市场的

20、日益成熟与GPS民用化的进一步发展。车用GPS前装市场会迎来大规模的发展与进步。数据见表4、表5。 表4 20062009年中国前装导航产业导航车市场销量及装配率 表5 20062009年中国前装导航产业导航系统市场规模 根据赛迪顾问统计的数据显示。在经过2008年的低迷之后，中国GPS整体市场在2009年下半年开始回暖。2010年，中国GPS市场在市场推进、技术发展、应用创新的推动下飞速发展。全年GPS市场容量达到908.3万套，同比增长117.8%。其中，车载GPS销量达到342.7万套，较2009年增长102.2%。便携式GPS销量达到523.1万套，较2009增长148.4%。前装市场

21、销量为42.5万套，同比增长15.2%。4 GPS后装导航市场 2010年中国后装导航GPS市场延续了快速发展的势头，虽然2009年PND市场销售相对于2008年同期而言，增长有限，但是进入到2010年，在汽车市场消费的拉动下，以及PND整体价格更加平易近人，PND产品市场保持了较高的增长速度，这种增长幅度相对于整体消费电子产品市场增长而言，是比较可观的。而改装GPS市场则又是另一番景象，由于中国汽车市场保有量的进一步攀升，以及新增汽车销量的进一步增长，改装GPS在专业的汽车渠道赢得了更快的增长节奏。赛迪顾问市场监测数据显示，2010年前三季度中国改装GPS市场实现总销量218.08万台，比2

22、009年同期增长107.7%，而与此同时，2010年前三季度中国PND市场实现总销量210.76万台，比2009年同期增长37.1%。 2010年前三季度中国后装GPS导航地图厂商的市场竞争格局已基本形成。在两大导航终端领域，各大图商各有所长，根据各自的目标客户制定了市场策略和发展方向，分别占据着各自的市场。但是综合而言，由于在PND和改装GPS市场，更加直接面对的是消费者用户，市场竞争尤为激烈，市场份额的变化更为仰仗着各自地图厂商对于自身产品的价格、性能和功能以及产品口碑的经营，包括各自渠道渗透率的发展。在进入到2009年年底之际，由于市场中开始大力推崇地图3D实景化，使得原本相对平衡的地图

23、厂商格局出现了较大的变化。根据2010年前三季度中国改装GPS市场与同期的PND市场表现来看，两个市场品牌格局有很大的相似之处，七大图商分布并不均匀。总体就后装GPS导航地图市场而言，品牌分布相对往年更加集中，竞争格局已经基本定格。此外，市场上出现了一个非常有趣的现象，为了更好的提高车机用户的产品体验，进一步满足多元化的需求市场特点，很多硬件厂商也推崇所谓的“一机双图”模式。这也充分体现了现有的地图厂商在面临激烈竞争的同时也加强了合作。5 GPS的未来 随着中国GPS产品技术和市场进一步趋向成熟，GPS导航领域内的企业一味的依靠产品品质、功能和价格来立足和竞争已经不能保证其业务增长的可持续性和

24、稳定性，更不要说能带来更好的利润水平，对于角逐中的这些企业来说，现在急需新的市场增长点。在行业利润不断摊薄的境况下，丰富的功能、强大的产品，已经不能保证未来市场的竞争力，而对于GPS产品本身来说，其嵌入的内容将会是一个可以充分发掘的关键点，而应用服务就自然而然的成为GPS导航企业竞相追逐的一块新奶酪。目前我们也发现，国内很多的后装导航领域的软硬件企业以及导航地图厂商都相继尝试性的推出了各种增值服务，但由于服务涉及面不宽，面向的用户群也比较特殊，这也限制这些应用在大众市场的展开，因此，类似于手机产业中短信这样具有“杀手”意义的重量级应用内容还是比较缺失，限制了中国GPS后装导航应用服务市场的发展

25、与壮大，因此，打造适合于国内后装导航应用环境的内容和服务已经成为各企业思考的重点，这也意味着硬件厂商与地图厂商、硬件厂商与运营商、GPS领域企业与其他行业客户的合作模式将会发生重大转变6。随着中国汽车市场的不断发展，行车导航和生活助手、娱乐等功能越来越显著的车机产品也得到了众多用户的青睐。体验经济与消费电子终端由产品到服务、由服务到体验，是IT产业和应用发展的基本规律。在产品经济时代，各产品原有自身功能是可以基本满足用户的需求，而在服务和体验经济时代，用户需求的满足需要产品的不断创新。未来，GPS只是个平台，其上的服务才是用户关心的重点，同时也是厂家的利润增长点。另外一方面，在GPS领域，位置

26、服务一直被认为是继短信后，移动互联网的又一杀手级应用，但是目前还没有爆发式的增长，一方面是用户认知不足，另一方面是商业模式有待验证。不过，LBS 可以发挥移动互联网应用的特有属性，与移动终端的定位属性相结合，未来其发展前景值得关注7。6 总结GPS的民间应用在近几年来的发展呈如火如荼之势，一些新技术和新产品不断涌现，使GPS形成了一种新的产业。我们研究和开发汽车导航系统，就是为了解决汽车工业的发展与普及，给道路带来的交通拥堵，提供一种高科技手段，也值得我国同行的关注。GPS在汽车导航系统中的应用，并不断地完善为汽车IT业带来了活力。但就GPS企业来说，无论是产业链哪个环节所开发的产品增值服务，

27、其初衷都是各GPS导航企业为了满足未来客户日益多元化和个性化的服务需求。但是从企业自身发展的角度来说，一系列增值服务产品的推出，将在提高企业竞争力和开拓市场方面发挥极大的促进作用，也将是企业新的利润增长点。但是就目前国内后装GPS导航企业的发展现状而言，在增值服务方面将“路漫漫其修远兮”。尤其在当前态势下，谁能把握时机、顺应时势，抓住市场需求的关键点，谁就能占领市场主动权和话语权。参考文献1许国昌.GPS测量与数据处理 M.武汉大学出版2Amin M,Cahill R. Compact quadrifilar helix antennaJ. Electronics Letters 20053薛鸿印.GPS原理及应用 4牛鱼龙.GPS知识与应用M. 海天出版社 2005年4月 5李洪涛.GPS应用程序设计 M.机械工业出版社 2000年6月6吴广华，张杏谷. 卫星导航 M.人民交通出版社1998.47李延兴. GPS技术研究新进展M. 天津天津科学技术出版社1996 致 谢十分感谢所有曾经教导过我的老师和关心我的同学和室友,他们在我遇到困难时,给予我帮助,给予我关怀。让我在我完成论文期间,特别感谢我的导师朱春侠对我的指导和校正.他及时的纠正我的错误,让我得以改正,帮助我更好的完成论文。