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摘要：针对车辆在行驶过程中的导航定位问题，实时接收车辆的经纬度、高度、方向等位置信息的需求，设计一款基于GPS的车载导航系统，该系统以ARM内核的微控制器为硬件部分的核心，GPS模块接收到的卫星信号通过串口传送到开发板扩展的LCD上显示，在PC机上使用软件接收GPS模块的信息与地图匹配实现导航，利用GPRS网络实现定位数据的远程传输。实验证明系统实现GPS定位和信息获取、有良好稳定性，满足车载导航的要求。
关键词：GPS；车载导航；定位；匹配；GPRS
1 前言
汽车作为现代人出行的代步工具，对车辆的导航定位有更高的要求。随着人们收入的增加，汽车的销售量也有所增长，人们选用自驾车的方式出行，需要实时获取相应的地理位置和行车路径，方便驾驶者更快更准确到达目的地。进入二十一世纪，物联网技术的普及，实现任何物品间信息交换，对物体的跟踪定位，方便人们实时处理突发情况。随着各国的卫星导航系统得到了较好的发展和应用，全球卫星定位系统（GPS）具有全天候、高精度、自动化、高效益等特点，广泛用于道路、航空、农业等领域。本系统基于GPS技术进行设计，能够为驾驶者提供连续、精确的车辆导航定位信息，以STM32F103为主控制器处理从GPS模块接收到的定位信息，通过GPRS网络把信息传送到上位机实现远程监控，同时也能够通过手机接收汽车相关的位置信息，车载系统的设计不仅帮助驾驶者准确、安全地到达目的地，而且提高了交通运输的效率，对智能化交通的发展有一定的意义。
2 系统的整体设计
系统围绕GPS技术进行设计，由车载设备和监控终端组成，基本结构如图1所示。主控制器负责处理GPS模块接收的定位信息，GPS模块自动获取车辆的当前位置、行驶速度和时间等信息，然后使用与地图匹配的方法，由GPRS模块负责信息的接收和发送，通过现有的导航软件为用户显示车辆行车地理位置和导航路径，在车辆发生异常情况时车载系统可通过GPRS网络将其位置信息发送到用户手机上，方便驾驶者实时了解车辆的安全情况。
3 车载系统的硬件设计
3.1 GPS模块的设计
车载系统的GPS部分选用瑞士U-BLOX公司的一款以NEO-6M为模组的第6代GPS接收机，搭载了高性能的50通道卫星接收功能，捕获追踪灵敏度为-161dBm，创新的RF架构使抗干扰能力更强，同时还具备惯性导航、自动航迹推算（ADR）和A-GPS等技术，提供UART，USB，IIC，SPI等多种接口，兼容3.3V/5V单片机系统。模块GPS定位的数据输入/输出标准格式基本上采用美国国家海洋電子协会制定的NMEA-0183协议。GPS开启后，周期性地进行数据的发送，模块采用GPRMC的数据格式，每行以字符‘$’开头，接着显示信息类型和数据，相邻数据之间用逗号分隔开，一整行的基本格式如下（其中hh为校验和，CR和LF代表回车换行）：
$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh以上各数字代表了GPS接收的时间、定位状态、经度、纬度、速率、航向和日期等信息，其表示的格式，在得到经度和纬度后需要进行度分秒格式的转换，经、纬度的计算方法相同，以纬度换算为例，如测得的纬度信息为2419.69167，将数据整除以100就可直接读出24度，然后先减去度数24再乘以60就可直接读出11分，最后把前面的结果减去分数11后再乘以60得到就可直接读出48秒，所以测得的纬度信息经转换后为24°11′48″；对于NMEA-0183协议的校验，通过对命令格式中的“$”到“*”符号之间字符的ASCII码进行异或运算得到校验和（hh）；通过了解协议的内容后，可以进行代码的编写，然后主控器STM32解析GPS模块接收的数据格式，从而获得GPS定位的各种信息。
3.2 车载设备硬件与设计
载设备以汽车为载体，包括了主控制器、GPS模块、GPRS模块和其他扩展模块等硬件设备。系统的主控制器模块选用32位的ARMCortex-M3微控制器STM32F103，其最高工作频率为72MHz，带有256K至512K字节的闪存程序存储器，多达112个I/O口、5个USART、11个定时器和13个通信接口，具有睡眠、停机和待机三种工作模式，保证了低功耗应用的要求，其丰富的外设使这款微控制器适用于各种应用场合。GPRS模块用于将处理好的GPS卫星定位信息通过无线网络发送到监控终端，并且在扩展模块检测到异常的时候把信息发送到用户的手机上，实时对汽车进行调度管理。
4 车载系统的软件设计
4.1 GPS导航定位的设计
4.1.1 GPS定位精度
由于GPS模块获取卫星定位信息时，卫星运行轨道和时钟等存在误差，各种自然因素对卫星信号的影响，还有SA技术的影响，使得GPS的定位精度只有100m，本系统使用伪距差分将GPS定位精度提高至3m-10m。伪距差分是通过已知的基准站坐标和卫星星历，求得卫星到基准站之间距离精确值后与基准站伪距值求差，得到的差分修正值传送至流动台对卫星伪距观测值进行修正再单点定位，其中基准站与流动台可相距200km-300km。
4.1.2 GPS定位与地图匹配
车载系统中GPS模块接收到定位信息以后，将带有一定误差的GPS位置信息与电子地图进行匹配，最终以图像的形式与用户进行交互，确定车辆在地图上的位置，地图匹配算法流程图。
4.2 车载系统经过对定位信息的处理
首先对GPRS模块进行初始化，然后通过GPRS网络与监控终端通信，终端对接收到的数据信息进行分析和处理，为用户显示出车辆的导航路线与定位信息。GPRS模块选用的是SIMCOM公司的一款GSM/GPRS芯片SIM900A，内嵌了TCP/IP协议，使用AT命令可以简单的与终端进行TCP连接。
5结束语
本文设计的车载系统基本上实现了对行驶车辆的定位信息获取和显示，采用伪距差分方法提高定位精度，通过地图匹配和地图匹配算法将最佳路径在地图上表示并供驾驶者参考，使得系统整体的导航定位可靠性提高。系统基于GPS技术的基础上，利用GPRS网络，通过系统的其他扩展模块，不仅实现了目标车辆地理位置的远程通信，智能获取车辆环境的各种信息，为驾驶者提供良好、舒适的驾驶体验，具有一定的市场价值。
参考文献：
[1]蔡芸.基于Jacinto6的多屏显示车载终端系统设计[D].苏州大学，2017.
[2]赵亨利.T公司汽车多媒体产品战略企划研究[D].北京化工大学，2016.
[3]王艳.车载多媒体一体机故障维修案例分析与讨论[J].汽车电器，2016（12）：31
[4]俞宏博.基于DM365的车载多媒体终端软件设计和开发[D].浙江工业大学，2015.
（作者身份证号：130281198810220510）
作者简介：张国龙，1988年生，男，汉族，河北省遵化市，大专学历，助理工程师，主要研究车载多媒体影音系统设计与实现。
关键词：GPS；车载导航；定位；匹配；GPRS
1 前言
汽车作为现代人出行的代步工具，对车辆的导航定位有更高的要求。随着人们收入的增加，汽车的销售量也有所增长，人们选用自驾车的方式出行，需要实时获取相应的地理位置和行车路径，方便驾驶者更快更准确到达目的地。进入二十一世纪，物联网技术的普及，实现任何物品间信息交换，对物体的跟踪定位，方便人们实时处理突发情况。随着各国的卫星导航系统得到了较好的发展和应用，全球卫星定位系统（GPS）具有全天候、高精度、自动化、高效益等特点，广泛用于道路、航空、农业等领域。本系统基于GPS技术进行设计，能够为驾驶者提供连续、精确的车辆导航定位信息，以STM32F103为主控制器处理从GPS模块接收到的定位信息，通过GPRS网络把信息传送到上位机实现远程监控，同时也能够通过手机接收汽车相关的位置信息，车载系统的设计不仅帮助驾驶者准确、安全地到达目的地，而且提高了交通运输的效率，对智能化交通的发展有一定的意义。
2 系统的整体设计
系统围绕GPS技术进行设计，由车载设备和监控终端组成，基本结构如图1所示。主控制器负责处理GPS模块接收的定位信息，GPS模块自动获取车辆的当前位置、行驶速度和时间等信息，然后使用与地图匹配的方法，由GPRS模块负责信息的接收和发送，通过现有的导航软件为用户显示车辆行车地理位置和导航路径，在车辆发生异常情况时车载系统可通过GPRS网络将其位置信息发送到用户手机上，方便驾驶者实时了解车辆的安全情况。
3 车载系统的硬件设计
3.1 GPS模块的设计
车载系统的GPS部分选用瑞士U-BLOX公司的一款以NEO-6M为模组的第6代GPS接收机，搭载了高性能的50通道卫星接收功能，捕获追踪灵敏度为-161dBm，创新的RF架构使抗干扰能力更强，同时还具备惯性导航、自动航迹推算（ADR）和A-GPS等技术，提供UART，USB，IIC，SPI等多种接口，兼容3.3V/5V单片机系统。模块GPS定位的数据输入/输出标准格式基本上采用美国国家海洋電子协会制定的NMEA-0183协议。GPS开启后，周期性地进行数据的发送，模块采用GPRMC的数据格式，每行以字符‘$’开头，接着显示信息类型和数据，相邻数据之间用逗号分隔开，一整行的基本格式如下（其中hh为校验和，CR和LF代表回车换行）：
$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh
3.2 车载设备硬件与设计
载设备以汽车为载体，包括了主控制器、GPS模块、GPRS模块和其他扩展模块等硬件设备。系统的主控制器模块选用32位的ARMCortex-M3微控制器STM32F103，其最高工作频率为72MHz，带有256K至512K字节的闪存程序存储器，多达112个I/O口、5个USART、11个定时器和13个通信接口，具有睡眠、停机和待机三种工作模式，保证了低功耗应用的要求，其丰富的外设使这款微控制器适用于各种应用场合。GPRS模块用于将处理好的GPS卫星定位信息通过无线网络发送到监控终端，并且在扩展模块检测到异常的时候把信息发送到用户的手机上，实时对汽车进行调度管理。
4 车载系统的软件设计
4.1 GPS导航定位的设计
4.1.1 GPS定位精度
由于GPS模块获取卫星定位信息时，卫星运行轨道和时钟等存在误差，各种自然因素对卫星信号的影响，还有SA技术的影响，使得GPS的定位精度只有100m，本系统使用伪距差分将GPS定位精度提高至3m-10m。伪距差分是通过已知的基准站坐标和卫星星历，求得卫星到基准站之间距离精确值后与基准站伪距值求差，得到的差分修正值传送至流动台对卫星伪距观测值进行修正再单点定位，其中基准站与流动台可相距200km-300km。
4.1.2 GPS定位与地图匹配
车载系统中GPS模块接收到定位信息以后，将带有一定误差的GPS位置信息与电子地图进行匹配，最终以图像的形式与用户进行交互，确定车辆在地图上的位置，地图匹配算法流程图。
4.2 车载系统经过对定位信息的处理
首先对GPRS模块进行初始化，然后通过GPRS网络与监控终端通信，终端对接收到的数据信息进行分析和处理，为用户显示出车辆的导航路线与定位信息。GPRS模块选用的是SIMCOM公司的一款GSM/GPRS芯片SIM900A，内嵌了TCP/IP协议，使用AT命令可以简单的与终端进行TCP连接。
5结束语
本文设计的车载系统基本上实现了对行驶车辆的定位信息获取和显示，采用伪距差分方法提高定位精度，通过地图匹配和地图匹配算法将最佳路径在地图上表示并供驾驶者参考，使得系统整体的导航定位可靠性提高。系统基于GPS技术的基础上，利用GPRS网络，通过系统的其他扩展模块，不仅实现了目标车辆地理位置的远程通信，智能获取车辆环境的各种信息，为驾驶者提供良好、舒适的驾驶体验，具有一定的市场价值。
参考文献：
[1]蔡芸.基于Jacinto6的多屏显示车载终端系统设计[D].苏州大学，2017.
[2]赵亨利.T公司汽车多媒体产品战略企划研究[D].北京化工大学，2016.
[3]王艳.车载多媒体一体机故障维修案例分析与讨论[J].汽车电器，2016（12）：31
[4]俞宏博.基于DM365的车载多媒体终端软件设计和开发[D].浙江工业大学，2015.
（作者身份证号：130281198810220510）
作者简介：张国龙，1988年生，男，汉族，河北省遵化市，大专学历，助理工程师，主要研究车载多媒体影音系统设计与实现。