車載GPS的精度要求和飛機進場著陸船舶進港差不多,都需要差分系統(tǒng)的支持。航空上視野開闊,無信號遮擋問題是三維定位;陸海應用可按二維定位應用,但多路徑干擾嚴重,在城鄉(xiāng)應用中信號遮擋、中斷、衰減問題突出。目前正是GPS產(chǎn)業(yè)向車載導航應用進軍的時期,我們憧景美好的前途,龐大的市場和銷售預測,廣闊的應用領(lǐng)域,但也應注意解決某些技術(shù)障礙和組織管理因素的制約。
1.多路徑干擾
用戶周圍環(huán)境地物包山丘、水面、建筑物等,在用戶接收機上不僅接收到從衛(wèi)星發(fā)射來的直接波,還有許多從附近地物形成的長路徑反射波,在疊加信號影響下,不僅使輸入信噪比降低.,而且測量的碼偽距和相位值都會畸變而產(chǎn)生誤差。高精度測量領(lǐng)域,可以選擇場址回避,并可采用很好的右旋極化天線和擋徑盤,或多天線接收后用特殊算法排除多路徑效應,提高精度。低成本的天線和接收機要消除多路徑效應非常困難,將形成較大的實質(zhì)性誤差。相關(guān)接收機由多路徑造成的誤差不會超過半個C/A碼波長(約150米),它隨地形環(huán)境而變化,對陸地移動用戶來說誤差時大時小,可以出現(xiàn)數(shù)米或更大誤差。
2.信號遮擋和中斷
個人用戶和車載GPS接收機在城市使用時會受到建筑物對信號的遮擋,而且在進入立交橋下或地道內(nèi)時會出現(xiàn)信號中斷,它們是限制GPS普遍化應用的一大障礙。
目前,低成本接收機解決的辦法為缺星定位和快速再鎖定。缺星定位(或稱降星定位)只是軟件算法上的解決。正常為四星三維定位,當可見星只有三顆時,按等高二維定位解算法(將高度按原先值不變處理),當可見星只有二顆時,按等高等時鐘差定位解算法(將高度視作不變,鐘差也視作不變處理,即無鐘二維定位解),當可見星僅一顆時按約束推測算法(不僅高度、鐘差按原始值不變處理,而且載體按等速前進處理,在此集合約束條件下的速度支助推測算法去定位)。因而缺星定位在諸多條件約束下,僅能在有限時間內(nèi)使用。例如在城市內(nèi)穿越斷續(xù)樓群下的街道,可見衛(wèi)星數(shù)目忽多忽少,一旦跟蹤了多顆衛(wèi)星,又可恢復,定位,但大峽谷底部行車或通過隧道時仍然會丟失位置。
當脫離遮擋后必須快速鎖定恢復定位,否則新的遮擋又要來臨??焖冁i定機制在碼跟蹤環(huán)內(nèi)實現(xiàn),通常碼跟蹤環(huán)為了對準和鎖定,提供3個間隔0.5碼片曲早到碼,正點碼、遲到碼,其搜索范圍為1.0個碼片,相當于對應的位置點非確定性約300米范圍。對于提供2O個間隔0.5碼片的碼跟蹤環(huán)來說,其搜索范圍對應非確定性擴大到2600多米范圍內(nèi),所以可以提早鎖定,目前可以達到t00毫秒內(nèi)再鎖定。
在缺星定位技術(shù)和快速鎖定技術(shù)的配合下,增強了車載接收機在樓群峽谷穿行時的抗遮擋能力,不致丟失位置,采用這兩項技術(shù)的接收機,必須是并行多通道接收機。
3.信號衰減
微波都會受金屬材料或厚的非金屬材料的遮擋,對金屬網(wǎng)來說,如果網(wǎng)格間距小于19厘米(L1的波長)則也受阻擋。此外對含有水份的樹葉,L1信號也將衰減。當行車通過密林或街道華蓋時,信號極度衰減,使GPS無法定位,為此需要采用低信噪接收技術(shù),例如真2位A/D和4級電平的處理技術(shù),以降低數(shù)據(jù)路徑損失和提高弱信號鎖定靈敏度,還有得當?shù)腁GC電路設計,能對.170~175dBW信號接收鎖定。但更低信號電平上的接收鎖定尚有難度。
4.低功耗問題
最為根本的辦法是從硬件上考慮。例如采用高性能深亞微米CMOS工藝的芯片。降低使用電壓;早期采用0.6~m6V以上的芯片,
目前己能采用0.3m3.3V的芯片,毫瓦級功耗,將來還可用0.25m和更低電壓。其次是采用程序控制的電源管理軟件.可以編排不同的程控方式。使得接收機啟動捕獲、鎖定、輸出定位解后進入部分斷電的休眠狀’態(tài),等待下次數(shù)據(jù)更新時再自動接通;而且數(shù)據(jù)更新率也可以調(diào)控,在每秒一次至數(shù)分鐘一次之間可選。在手持機上定位數(shù)據(jù)更新率不必每秒一次,一般可改用每4~5秒一次;結(jié)合快速鎖定解算技術(shù)一次定位只用200毫秒,則占用工作時間僅5--4,大大節(jié)省用電。此外對片上各個部分(射頻、信號處理、數(shù)據(jù)處理)的通電時間也可分別接通。只在需要的時間才接通.因此片上有一個實時時鐘(RTC)進行著對各部份的電源營理程序。RTC按一定的時間聞隔,自動蘇醒、產(chǎn)生中斷、順序地向各個部分發(fā)出通電處理直至斷電休眠的各種指令。
5.微型化和低成本問題
GPS接收機正在向微型化和低成本方向發(fā)展。目前GPS制造商除了研制OEM板以外,都自行研制GPS專用芯片(ASIC),包括MMIC射頻芯片、高速CMOS信號處理芯片,以及多芯片模塊(MCM)。只有微小尺寸/構(gòu)型的GPS模塊才能嵌裝在共享電源的其他器件內(nèi),這對微型天線設計提出了一些難題。這些器件一般采用按需使用的方式.具有快速啟動的按鈕定位和保持星歷數(shù)據(jù)不丟失的長間隔定位更新率的自主工作方式。當首次起動以后,壓下按鈕定位時間要求在2秒以內(nèi)。
6.電子地圖配套應用問題
GPS+電子地圖的應用是陸海空移動用戶喜用的普遍方法。海上用戶已有電子海圖顯示信息系統(tǒng)(ECDIS),并進入了標準化數(shù)據(jù)電子海圖的應用。航空用戶采用由導航數(shù)據(jù)庫生成的電子航圖,但尚未標準化。陸上車載GPS應用對電子交通圖是必不可少的。駕駛員不可能通過經(jīng)緯度數(shù)值來了解自己的現(xiàn)在位置,必須和活動地圖比較以找到自己的位置。由于GPS存在誤差,而利用地圖匹配技術(shù)可以消除某些偏差,將車輛標志移到路上。整個車載GPS接收機還必須和交通信息系統(tǒng)配合工作。
陸用電子交通圖一般分兩大類,一是城市交通圖,二是地區(qū)公路交通圖,為了規(guī)范化,應制訂標準。例如日本將電子交通圖和道路交通信息作為一個服務整體,先由日本警視廳、郵政省和建設省成立了一個“日本道路交通信息通信系統(tǒng)中心(vlcs)”掌管VICS業(yè)務。從東京發(fā)展到全國,出版全日本交通地理信息庫光盤,發(fā)布實時交通信息和通信服務,在這種服務支持下,車載GPS才有用武之地。
我們在發(fā)展車載GPS的前期,必需同時發(fā)展電子交通圖和實時交通信息服務等配套支撐項目。這些配套項目的發(fā)展,技術(shù)上沒有問題,主要在于跨部門跨行業(yè)之間的合作協(xié)調(diào)和組織管理。目前對電子交通圖的開發(fā)處于自行分散開發(fā)和低水平不規(guī)范的狀態(tài),這將阻礙車輛GPS的發(fā)展和廣泛應用。
在發(fā)展電子地圖問題上,必須首先解決WGS一8'1坐標制問題,國家測繪部門應公布一個米級精度的北京一54坐標制對WGS一84坐標制轉(zhuǎn)換參數(shù),公開發(fā)行電子地圖的比例尺限度和精度控制的規(guī)定和管理辦法。對于電子地圖的數(shù)據(jù)庫媒質(zhì),活動地圖顯示格式、縮放、分層、漫游、信息窗口等用戶友好界面問題,都可開放,由開發(fā)商自行選擇。
7.差分應用問題
車載GPS的精度一般都用差分技術(shù)來提高,只有提高到米級精度后,才能采用地圖匹配導航和進一步的智能化應用。目前城市交通應用上較多地采用電視臺調(diào)頻付載波調(diào)制發(fā)射差分修正電文。但是由于這種新服務在服務提供者和用戶之間的相互關(guān)系,各自承擔的義務和權(quán)利.如何收費等問題上缺乏規(guī)章,影響了普及使用。此外所用的頻率和調(diào)制體制呈多樣化,一種產(chǎn)品不能在其他城市使用,不能大批量生產(chǎn),成本不能降低,無法在市場上推出汽車制造商更不敢下決心大批量裝備。
DGPS修正電文的廣播手段局限于電視臺調(diào)頻付載波時,由于其信號覆蓋范圍有限,只適用于城市,不能適用于地區(qū)或國家范圍內(nèi)的公路應用。大范圍覆蓋的差分系統(tǒng)一般采用基準臺聯(lián)網(wǎng)和由衛(wèi)星廣播的系統(tǒng),并且都和通信集成一起形成公路交通信息體系。采用衛(wèi)星廣播時的費用大大提高。有人曾經(jīng)提出擴大城市和效區(qū)的信號覆蓋采用空中通信轉(zhuǎn)發(fā)平臺,例如用平流層定點懸浮的氣球或氣艇作移動通信轉(zhuǎn)發(fā)平臺。另一種建議為采用城市上空高高度巡回飛行的久航飛機(HALO)、攜帶著通信轉(zhuǎn)發(fā)平臺,輪番升空接瞢,把移動通信基站移到天空。
總之差分應用的問題,應通過行業(yè)之間的協(xié)調(diào),在高水平優(yōu)選體制下集中開發(fā)應用,即使一個城市的開發(fā),也應該跨行業(yè)組織整個用戶集團,建立起服務體系,最終形成一種產(chǎn)業(yè)。