基于GPS车辆定位导航系统设计与实现

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轻型汽车技术2012（1/ 2）总269/ 270
基于GPS 车辆定位导航系统设计与实现
方成1,2 杨超云2
（1 . 武汉理工大学现代汽车零部件湖北省重点实验室2. 武汉理工大学汽车工程学院）
摘要
本文结合智能导航系统软件StarView1.0 的开发，采用功能强大的C8051F120 高速单
片机，对基于NMEA- 0813 协议的GPS 数据信息进行解析，配合高效率的A* 算法，实现
三维坐标的快速显示，时间信息的显示，地图快速显示，信息查询，快速路径规划。通过测
试和分析，本系统完成了预期的指标。
关键词：车辆导航系统NMEA- 0183 协议A* 算法路径规划
智能交通系统（ITS）将通信、导航、控制和计算
机等现代信息技术集成应用于交通运输领域，以加
强人、车、路三者之间的联系，从而形成一种实时、
准确、高效的综合运输系统。在智能交通系统（ITS）
中，车辆定位与导航技术是重要而关键的内容之一，
它直接面对交通系统的最终用户，体现高新技术手
段在交通领域中的应用，是缓解交通拥堵、充分有效
利用现有道路交通资源和提高交通系统效率最有效
的技术措施之一，也能明显有效地提升城市交通系
统甚至整个城市总体的综合管理水平【6】。
车辆定位导航系统是把GPS 全球卫星定位技
术、地理信息系统GIS 技术和现代计算机技术等综
合在一起的高科技系统，是智能交通系统中当前需
求较为迫切、应用比较广泛的一个重要应用系统。
1.1 单点定位导航系统
系统组成示意图如图1 所示。系统主要由
C8051F120 单片机控制GPS OEM 接收板来接受
GPS 导航电文，再根据NMEA0183 ASC II 码协议对
码文进行译码得到经纬度。
当接受到GPS 信号时，使用GPS 进行定位，利
用导航算法（A*）并为DR 推算准备初值，根据计算
得到的数据来导航小车驾驶。当没有GPS 信号时，
根据小车上的车速传感器，角度传感器和位置传感
器等来导航小车，保证小车按照准确的路径行驶。
当然，无论是否有GPS 信号，在数据的处理过程中
都存在定位误差问题，这样会导致车辆不在道路上
行驶。使用地图匹配算法（Map Match）可以将车辆
强制拉到道路上去，一定程度上解决了定位精度问
题，也提高了无人驾驶的可行性【4】。
1.2 系统的硬件结构
此系统中主要涉及的外围硬件电路主要包括：
电源、GPS 串口接收、电平转换、MCU 系统设计和人
机交互等。系统硬件部分本着可靠实用的原则，设
计更具有适用性的导航定位系统。系统的总体硬件
设计结构如图2 所示。
系统中的MCU 主控器芯片选用美国C8051F
MCU 公司的C8051F120，这是一款高速单片机，采
用流水线式操作，使用内部集成PLL 时钟速度可以
达到100MIPS，而且端口多，允许交叉配置。关键是
存储容量大，8KRAM，128KFLASH。
2.1 G P S 接收机性能指标
SupperStar GPS 接收机是加拿大马可尼公司生
产的一款低价位、小尺寸、高质量GPS 接收机，适用
于嵌入式应用。SupperStar 是特别为要求低成本高
引言
1 系统结构
2 GPS 模块分析
14 技术纵横
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可靠定位的应用而设计的。SupperStar II GPS OEM
是一款集成和配置非常灵活的板。我们可以自由的
选择串口接收数据的方式：差分接收或者非差分接
收。并且SupperStar II GPS OEM板的供电系统和安
装结构也很灵活【3】。
2.1.1 基本特性
1) 12 通道“全视野”并行跟踪；
2) PVT 与载波相位数据更新率最高可达5Hz；
3)精密授时类型精度可达±50 纳秒(典型值) ；
4) DGPS 基准站类型可发送RTCMSC- 104 改
正数据；
5)电源恢复后迅速定位；
6)内部状态自检；
7)可使用有源或无源天线。
2.1.2 性能指标
1)定位精度：单点定位L1，，，，，，，
，，，，﹡hh  ”
UTC 时间，hhmmss（时分秒）格式
定位状态，A= 有效定位，V= 无效定位
维度ddmm.mmmm（度分）格式（前面的0 也将
被传输）
纬度半球N（北半球）或S（南半球）
经度ddmm.mmmm（度分）格式（前面的0 也将
被传输）
经度半球E（东经）或W（西经）
地面速率（000.0～999.9 节，前面的0 也将被传
输）
地面航向（000.0～359.9 度，以真北为参考基
准，前面的0 也将被传输）
UTC 日期，ddmmyy（日月年）格式
磁偏角（000 0～180 0 度，前面的0 也将被传
输）
磁偏角方向，E（东）或W（西）
模式指示（仅NMEA0183 3 00 版本输出，
A= 自主定位，D= 差分，E= 估算，N= 数据无效）
图2 系统硬件总体结构图
图1 基于C 8051F120 单片机的单点定位导航系统结构图
技术纵横15
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路径优化是车辆导航系统必不可少的核心功能
之一，也是实现导航功能的前提条件。它要解决的主
要问题是在给定的数字道路地图中寻找从出发地到
目的地的最优路径。
3.1 启发式搜索（H euristic S earch）算法—
A * 算法
目前在路径优化领域，最流行的启发式搜索算
法———A*算法【5】。具体地说，A*算法引入了当前结
点v 的估计函数f'(v)，当前结点v 的估计函数定义：
f'(v)=g(v)+h'(v) （1）
其中g(v)是从起点到当前结点v 的实际费用的
量度，h '(v)是从当前结点v 到终点的最小费用的估
计。利用A* 算法实现从绿色点到红色点的最优路
径如图3 所示。
3.2 G P S 导航的路线优化算法研究与设
计———A *算法的改进
A* 算法是在对一般的最短路径算法的基础上
加以改进得到的，依照同样的思路对A* 算法做进
一步的改进，所得理论应具有更高的效率。在交通网
中求最短路径的最佳邻点启发式搜索(Best Neighbor
Huristic Search)算法，简称B* 算法【5】。它是在A* 算
法的基础上作了如下改进得到的。
设j 是具有最小临时标号的结点，利用与j 相邻
的所有结点k，定义一个新的估计函数：
f'(j)=g(j)+h'(j) （2）
式中h '(j)由j 到k 的距离c(j,k)以及k 到终点t
的距离e(k,t)定义(注意与A* 算法中h*(j)的区别)。
h'(j)= 0(j=t)
min坌c(j,k)+e(k,t):坌(j,k)∈A}(j≠t) 坌（3）
其中A 表示该路网的弧集。与A* 算法相比，
B* 算法中的h'(j)≥h*(j)。这说明由B* 扩展的所有结
点均可由A* 算法扩展，但反之不然。因而B* 比A*
具有更高的搜索效率，但这同时也付出了增大运算
量的代价【1】。
GPS 定位的优点是它能在地球的任何地点确
定其位置( x, y, z)，但在有些地方，如城市高楼区、地
下通道和高山地带，卫星信号无法接收，因此，GPS
导航存在“导航盲区”。航位推测法虽较为简单，但
其精确度则受角速度传感器及车速脉冲设备精度
的限制，且其存在积累误差，即随着车辆行驶距离
的增加，误差越来越大。地图匹配导航的前提是道
路地图数据库的数据必须足够精确，而且汽车只能
行驶在数据库规定的道路网内，否则，地图匹配将
失效。
为了实现准确的汽车导航，可以将上述三种导
航技术加以组合（GPS/DR/MM组合导航原理框图
见图4）。在导航系统中常采用较为简单的切换式
组合方法：当有GPS 信号时，使用GPS 进行定位，并
为DR 推算准备初值，当没有GPS 信号时，使用DR
推算定位。无论是单独使用GPS、DR 还是组合使用
GPS、DR，对存在定位误差问题，直接的后果就是：
车辆不在道路上行驶。使用地图匹配（Map Match）
可以将车辆强制拉到道路上去，一定程度上解决了
定位精度问题。另外，在长时间没有GPS 信号的情
况下，不能使用GPS 来为DR 准备推算初值，此时
能为DR 准备初值的唯一方位就是MM，利用MM
校正后的坐标以及方位角给DR 赋推算初值，能延
长DR 推算的时间，解决长时间没有GPS 信号时的
车辆定位问题【2】。
3 GPS 导航系统的算法研究与设计
4 导航技术的组合方案
技术纵横
图3 A * 算法运行的轨迹(红色)
图4 G P S /D R /M M 组合导航原理框图
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（上接第9 页)
测试结果如图5 （图左边为GPS 定位测试结
果，图右边为GPS 导航测试结果）所示，本系统完成
所要求的指标，解决了以下三个问题：
（1）解决“最吻合”。提供给车辆最吻合的实
际位置。在本系统中，通过精确GPS 定位信号，能确
保车辆的安全行驶。
（2）解决“最佳路线”。提供车辆最佳行驶路
线，减少了车辆滞留在道路上的时间，降低行车成
本。另外，能源利用效率提高，废气排放量自然减少，
降低了对环境的污染。
（3）解决“最小偏差”。降低车辆的实际位置偏
差。本系统采用高性能GPS 接收机和改进后的导航
路线优化算法，提供给车辆极小偏差的实际位置。
本车载导航系统采用C8051F120 作为微控制
器，配合高性能GPS 接收机板卡，实时解析GPS 串
口的数据，并实时显示经纬度、时间和水平高度等
信息。并根据这些数据结合车辆上的传感器控制行
走路线最优。在此基础上，深入的研究了启发式搜
索（Heuristic Search）算法—A* 算法。经过试验和研
究，本系统基本完成所要求的指标，但是系统仍存
在许多不足之处，如在系统响应速度，人机界面操
作方面等还存在着很多不足。
随着GPS、GIS、计算机技术、通信技术的快速
发展，汽车导航系统的功能不断完善，呈现出综合
化、系统化、多功能化、大容量化和网络化的特点。
今后我们还需要在路线优化算法、道路权重的标
定、车辆导航产品的标准化、语音识别技术、实时交
通信息综合服务等方面做大量的工作。总之，对于
我们这样人口众多的国家，整个社会对高效快捷的
交通服务的需求在迅猛增长，车载导航系统具有重
大的发展潜能和诱人前景。
参考文献
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5 测试结果及分析
图5 G P S 定位与导航测试结果图
6 结束语
技术纵横
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