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科普:GPS究竟如何工作

2015/7/31 17:26:49来源:雷锋网作者:天诺责编:无痕评论:

开车最难过的就是迷路。不过自从有了GPS,很多道路问题都能迎刃而解,它可以部署在汽车导航系统或便携式导航设备里,也可以部署进汽车中控台,甚至是车主的智能手机里,只需打开地图,你就能轻松的知道自己在什么位置。不过,如果汽车导航界面做的比较粗糙,输入数据就会比较麻烦,特别是在驾驶汽车的过程中,会很难完成地址的输入操作。

本文将给大家介绍下什么是GPS,它可以为汽车做些什么,未来它又会有哪些可能的用途。GPS会让你更加安全地驾驶,帮助你了解周边交通情况,寻找附近的服务,甚至还可以帮助商店推销服务。

GPS是如何工作的(可能比你想知道的还要多)

 从1994年开始,地球上空就出现了24颗GPS卫星,他们被分成了六组,在1.3万英尺的高空中围绕地球飞行。它们是同步轨道卫星,但并不是静止的,而是以每小时8千英里的速度从西向东飞行,每天可以绕地球两次。每颗卫星上搭载了原子钟,并且不断报告:

伪随机码:每颗卫星的ID

星历数据:当前日期和时间,卫星是否健康或不健康(“不健康”可能意味着卫星正在重新定位或重新校准,不是指它飞走了)

年鉴数据:定位卫星在什么时间到达什么位置的数据(每个GPS卫星都有年鉴数据)

GPS内部的接收器会从卫星捕捉到达时间(TOA)和飞行时间(TOF)。给定光速(恒定),以及信号在什么时候、什么地方发生,GPS接收器便会计算出你的车、你的便携式导航仪、徒步GPS,或是智能手机在地球上哪个位置。当设备沿着高速公路移动,它还会计算行驶速度和罗盘航向,不过GPS的速度通常会比汽车里程表显示的时速慢几英里。行驶数据会呈现在导航系统里。卫星信号从地球大气层从40-600英里高空穿过电离层,会产生延迟;而GPS系统会应用校正因子。

一般而言,我们需要三个GPS信号来确定(三角定律)接收器的位置,然后用第四个信号来计算高度。当然,接收器接收的卫星数量越多(最多应该是十二个,因为一共二十四颗卫星,另外十二个在地球的另一边),定位的质量就会越高。如果原子时钟不准确,或是其他不准确的信息进入,GPS可以进行修正。

第一颗GPS卫星是在1978年发射升空的,目前很多GPS卫星都能很好地运行,工作时间长达十年。他们的重量约为2千磅(按地球上重量计),如果算上支持卫星动力的太阳能电池板的话,长度可以达到17英尺。这些卫星的发射器能超过产生不到50瓦特的输出,当然,很多新的卫星也在开发,发射,全世界很多国家现在都有自己的GPS卫星。

更加新一些的GPS系统(接收器在地球上)定位会更加准确,而且能够定位更小的对象,价格也更便宜,它们甚至还能定位室内GPS接收器。美国国防部高级研究计划局曾经展示过一个芯片,它比一美分硬币还要小,但是却内置了三个陀螺仪,三个加速度计,以及一个内置时钟(见上图)。还有其他一些研究人员开发了很多技术,目的是提升GPS计时功能和卫星时钟的准确度。这些研究的主要目的,是让昂贵的GPS系统能够进一步提升准确度,并且能够把这种准确度应用在普通人的汽车中控系统里面。

GPS接收器有多准确?

GPS一开始军事卫星系统,主要是希望提升飞机,潜艇,以及其他武器设备的定位准确度。直到2000年,GPS才实现了民用化,但是精确度有些降低。发送给非军事用户的未加密的时间信号会随机抵销,让定位误差在100米左右。人们这种情况称为选择可用性(SA),当你定位一辆汽车,也许它的实际位置可能会和你有一到两个街区那么远。

差分GPS技术的开发,使用了基于地面参考站来纠正精准度,这种技术可以将SA信号定位在15米范围内,大约2到3辆汽车的长度,如果在最好的情况下,其精准度甚至可以达到10厘米或四英寸,这种情况已经非常不错了,它甚至可以用来测试定位桩是否足够准确。与此同时,美国联邦航空局、海岸警卫队、以及交通运输部却要求停止使用SA信号。2000年,时任美国总统的比尔克林顿命令提升民用GPS质量,不再允许所谓的“选择可用性”,美国政府的GPS网站上说,“美国没有意图再使用选择GPS可用性了。”

如今,汽车内的GPS接收器可以精准定位到10至15米的范围,而且其中的卫星接收器模块成本也只有几美元而已。单独的GPS接收器,精准度可以达到3米范围,如果你使用的是价格更贵,质量更好的卫星接收器模块,甚至可以精准定位到几厘米的范围。美国天宝公司推出的Total Station GPS系统,售价高达2.5万美元,它的精准度可以控制在一英寸范围内。这意味着在高精度GPS系统的控制下,你甚至可以远程控制道路施工设备,整平并修整地面,最终铺设一条公路出来。

如果你有一个老式汽车导航系统,它的定位精准度大概在15米范围左右,那么这个导航系统会做些小把戏。如果你的高速公路上向北行驶,附近没有其他道路,位置图标会与道路对齐;如果你在双向之间有分车带的公路上开车,那么导航系统就会对齐到向北的道路上。如果你转弯,或是绕圈行驶,导航也会进行自我校正。GPS导航也会使用一个内置的罗盘,运动传感器,以及测速仪,它会准确判断出你是否进入到隧道。(如果你在一个隧道里,那么会看到当前位置图标在隧道中间,精准度可以达到一辆汽车长度的范围,非常完美。)

除了显示地图,GPS还能为汽车做什么?显然,汽车里的GPS可以在地图上准确定位,但实际上,它还可以做很多其他事情,下面就举几个例子:

自动碰撞通知。在汽车事故中,如果汽车装配了车载资讯处理系统,比如通用的安吉星(OnStar),汽车会自动向车载资讯远程呼叫中心报告所在位置,然后呼叫距离你最近的公共安全应答点(PSAP),或帮你拨打紧急电话。此外,使用Ford&Sync,还可以通过蓝牙连接的手机直接拨打电话。通常路过的司机也会帮忙拨打紧急电话,但如果车祸发生在一个比较偏僻的地方,说不定好久才有一辆汽车路过。

增强型的自动天体导航添加了很多非GPS信息,比如失事的地理位置和车辆破损程度,还有如果汽车翻车了,乘客是否有系安全带。宝马和通用汽车正在研究相关算法,可以预测当汽车出车祸时,乘客严重受伤的可能性;这些汽车公司相信,他们的算法足够准确,能够帮助处理安全事故的工作人员判断,是否需要派遣医疗救援直升机(主要出于成本考虑,因为使用一次医疗救援直升机的费用大约是5千到1.5万美元)。上面提到的这一切,如果没有GPS信号都是无法实现的。

可预测前照灯。首先是前照灯,然后是好的前照灯(包括氙气大灯,LED大灯,以及激光大灯),再下来是转向大灯(当你的方向盘朝右打的时候,车轮向右,右转灯就会打开)。现在,如果有了GPS信号,当你驶向路口时,汽车就会预先判断出你要转向,继而打开车灯。据悉福特汽车公司正在试运行一款根据GPS信号判断的转向灯。

延长混合动力汽车,电动汽车的行驶里程。电动汽车,或者是混合动力汽车,需要尽可能的保持电量充足,才能行使更长的里程。但是很多爬坡,或是路况不好的地段往往特别耗电,举个例子,如果让你的电动车在略微有些坡度的高速公路上行驶一段时间,貌似不会有太大问题。但是,如果地图数据显示了GPS位置,然后告诉你目前的充电量在完成上坡路段之后,只能再开2.5公里,那么或许你在上坡之前,就该考虑一下是不是要给自己的汽车充电了。

服务。当你搜索附近距离最近的汉堡王时,就得依靠GPS来帮忙了。不过GPS服务仍然需要做的更好一些,很多第三方App,还有车载导航系统里的数据库,真的需要思考一下如何提供用户想要的服务,要知道,人们想要的是距离最近的汉堡王,而不是20里外的汉堡王。

智能手机App。如果你的汽车里有车载资讯处理系统,那么肯定会有与之配套的App,你可以在自己的手机上操作很多功能,比如远程启动汽车,或是远程关闭车门。据说还有一款基于GPS的定位App应用,如果你把车停在一个巨大的商场停车场,购物之后想不起来具体停在哪个车位上,此时这款App应用就会将你引导到自己的汽车边上。

智能车库门开启器。许多汽车有HomeLink车库门开启器。汽车的中控台已经被各种各样的按键占满了,如果让车主在手工去操作打开车库门似乎还真的有点儿low了,此时GPS的作用就发挥出来了,当你距离车库还有半英里的时候,中控显示屏上的右边就会弹出一个按键,你只需触摸点击一下,车库门就会自动打开。

校准车速里程表。美国联邦监管机构要求汽车的车速里程表不能少报车速。集成GPS可以把你的车速里程表校准到最准确的速度上。如果你有一个便携式导航设备,通常可以显示出你的车速。

提供最佳车道建议。如今,一些好的导航系统具有车道出口显示功能,告诉司机哪些是直通车道,哪些是驶出车道,哪些既能直通,又能驶出。一些定位更准确的GPS,甚至会在你需要驶出车道,或是需要变道之前,给司机进行提示。

GPS和自动驾驶汽车自动驾驶汽车依靠视觉(或雷达)传感器,和三维地图来准确定位,也能因此判断出哪些地方有危险。此时,如果GPS能够精准定位到英寸级别的范围,而不是一米或五米范围,那么将会发挥更大的作用。事实上,这种技术已经诞生了。至少,自动驾驶汽车需要把自己放在一个12英尺宽的车道中间,并且车辆来回摇晃幅度的范围不能超过一英尺。带有后视镜的汽车大约有六到七英尺宽。如果考虑到里中心位置存在一定的偏离度,那么可以在汽车两边在延长出1.5到2英尺的安全距离。如今,利用相关视觉辅助系统可以通过定位车道标记来跟踪汽车的位置。

当汽车搭载上超精准的GPS,就可以扮演汽车传感器的“独立审计员”。GPS可以判断出车道偏离警示系统(LDW)可能不是表现的很好,并提醒车主。如果是下雨或是下雪天,视觉系统的功能可能会略有下降,因为有些车道标线可能会被雨雪给覆盖掉,此时GPS将会继续帮助汽车保持在车道中央行驶。

在恶劣天气里,有些车辆仍然需要外出工作,比如扫雪车,此时如果有GPS,不仅可以引导车辆方向,超速时提醒司机保持中速行驶,还可以在偏离既定路线时发出警报。在未来的五年时间里,虽然让自动驾驶汽车实现每小时60英里的速度有些困难,但是每小时30英里应该不难实现。

购买建议上世纪90年代中期,世界上首款嵌入式车载导航系统出现在了宝马7系车上,成本约为2500美元(放在2015年,相当于4千美元)。如今,超过1千美元的导航系统已经是凤毛麟角了,一般的导航系统售价基本是在500美元(或以下),部署这些导航设备的汽车售价基本上都是在5万美元以上。另外值得一提的是,现在汽车中控装载彩色LCD屏幕已经是标配了,因此导航也成为了汽车必不可少的一项服务功能。嵌入式导航系统的主要优点就是屏幕大(对角线为7英寸到10英寸),二级导航显示一般会放在仪表盘或是挡风玻璃显示屏上,相对于便携式导航已和智能手机导航,车载导航的控制旋钮和操作按键更大。此外,汽车车顶都会装上鲨鱼鳍式天线,这样可以更快速的启动定位。汽车导航系统几乎从来不会被人偷掉,而且也没有烦人的电线。

智能手机通常具有较强的语音识别功能,比如,你会使用Siri说,“Siri,告诉我去球场的方向”。很多导航App应用要么非常便宜,要么就是免费的,甚至连升级都是免费的。相比而言,一般汽车导航升级需要花费一百美元到两百美元不等。

苹果的CarPlay和Google的Andriod Auto则都具有整合优势,他们的导航系统几乎都有内置的地图应用,即苹果地图和谷歌地图,当你把这些应用连接到汽车上之后,GPS导航便可以显示在汽车LCD显示屏上,并通过汽车的按钮和旋钮进行操控。

如果你选择购买车载GPS导航系统,那么必须知道这种产品的淘汰率比较高,换句话说,如果你现在购买一套车载GPS导航系统,那么肯定会比当前市面上的便携式导航设备好,但是随着时间的过去,很快就会有更好的便携GPS导航设备超越你的车载导航系统。到目前为止,没有汽车制造商提供主机或GPS模块更新服务,如果你想随时随地使用最新的GPS导航系统,那么最好的方法不是买买买,而是租个设备用用。

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关键词:卫星导航GPS

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