1 前言
车辆导航技术是近年发展起来的定位技术在车辆上的一种应用 ,是智能交通系统 (ITS)的一个重要组成部分.随着交通出行需求和人们对出行的个性化要求的持续增加 ,对车辆导航服务提出了迫切要求 ;随之而来的快速发展的空间定位技术 ,为满足这种需求提供了技术的可能.作为一种集地理信息系统 (G IS),定位,通信,嵌入式软硬件技术为一体的高度综合性的高技术含量产品,车辆导航在日本及欧美国家已经历了10多年的发展过程 ,并获得了极大收益和成功.随着我国经济快速,持续地发展 ,车辆工业亦呈现出蓬勃发展之势 ,车辆导航技术已从单纯的技术研发过渡到了产业化发展与技术研发交织进行的阶段。
了解车辆导航系统的发展历程 ,分析其在我国产业发展的制约因素和有利条件 ,以及未来发展趋势 ,对提高对车辆导航系统的产业发展的认识,系统研究开发和 ITS的建设都有重要的意义。
2 发展历程
2 11 第 1代导航系统
第 1个导航系统大约出现在 20世纪 80年代 ,主要是利用航位推算单元与印刷地图来实现定位.航位推算单元是用于确定车辆某时刻位置的系统.这种装置根据车辆在某一特定路线上已驶过的位置和行驶里程来推算车辆位置.行驶里程根据由磁性罗盘和差动里程表计算出的时间和速度来确定.差动里程表是一种测量已行驶距离的传感器.它根据最初的参考点 ,测出车轮旋转圈数等细节 ,从而计算出车辆当前位置.该系统最大的问题在于从前一时刻位置到下一位置的推算过程中可能存在误差 ,而且误差可以累积 ,使导航系统定位不是很准确。
2 12 第 2代导航系统
出现在 20世纪 80年代后期的第 2代导航系统 ,以航位推算单元为基础 ,并配合装有地图数据库的 CD 2ROM 光盘 ,该 CD 2ROM 将大量的地图储存在一个盘片上.与第 1代导航系统相比 ,最初的第 2代导航系统主要是用电子地图代替了印刷地图 ,使得对车辆位置信息的查询速度大大提高.在第 2代导航系统的后继产品中 ,还出现了地图的匹配技术.地图匹配 ,就是将地图上的一个位置与航位推算系统测得的位置相对照 ,纠正航位推算系统的误差 ,同时推算出车辆位置 ,并可根据地图来进行适当调整.采用地图匹配技术 ,大大提高了系统推算的精度。
2 13 第 3代导航系统
第 3代导航系统出现在 20世纪 90年代中期 ,原来的航位推算单元被全球卫星定位系统 (GPS)所取代.GPS系统分为空间,地面控制和用户 3部分 ,它有 24颗轨道运行卫星 ,其中 4颗 GPS卫星用于计算三维空间位置 ,卫星时钟周期性地发送系统的时间和轨道信息 ,以便使接收机能计算世界上任何地方的车辆所在位置,速度和时间.GPS以全天候,高精度,自动化,高效率等显着特点及其所独具的定位导航,授时校频,精密测量等多方面的强大功能 ,使得导航系统实现了技术上的飞跃.尽管 GPS技术使导航系统的精度产生了一次飞跃 ,但 GPS自身仍存在不足.除其信号漂移导致的精度不足之外 ,在某些地方 ,如隧道和全封闭的,高大的玻璃幕墙建筑内定位信号较弱.为了弥补GPS的这些缺点 ,第 3代导航系统中后来引入了罗盘定位技术.罗盘定位技术在一定程度上提高 GPS定位的精度 ,弥补了局部 GPS信号缺失的缺陷.这一代导航系统最新的产品是 PO I(pointof interest).POI是由导航系统数据库支持的一大特色功能 ,即系统可以在用户要求下显示有关目的地的详细信息 ,如当地商店,加油站,修理厂,车站,码头信息等.此外还拓展了道路探索,道路导航,信息查询的新功能 ,能够帮助驾驶者到达目的地。
2 14 第 4代导航系统
目前 ,正在使用的第 4代导航系统主要出现在20世纪 90年代后期.特点是融合了通信技术和网络技术 ,能够提供第一时间的信息 ,并可以实现动态线路 诱 导.这 一 代 系 统 由 DVD 2ROM 取 代 CD 2ROM ,使得信息容量提高了近 7倍.所有最新信息储存于 PO I中 ,结合存储于 DVD 2ROM 中数字地图数据库技术 ,在车辆上就可以选择最佳的行驶路线.同时 ,可以通过网络交互 ,实时收集相关道路情况信息.此外 ,功能上增加了语音导航,声音控制,娱乐等功能 ,运用了三维影像导航技术 ,使驾驶员提前身临其境 地感受预知地点的环境.近年来 ,随着计算机硬件技术的发展和价格的下降 ,车载导航系统的 DVD 2ROM 有被硬盘取代的趋势 ,硬盘可以存储比 DVD 更多的信息 ,同时满足三维立体图像的存储和显示要求 ,目前在欧美高档车上已有应用 ;同时 ,应用无线通信技术接收地图等各种信息的通信导航也已经出现 ,这种导航具有 DVD 导航和硬盘导航产品的各项功能 ,而价格较低 ,但它一次性投资后仍需每月支付通信费 ,因此也是高档车今后应用的发展方向。
3 我国车辆导航产业发展现状
与日本,美国等发达国家相比 ,我国车辆导航产业发展相对较慢.GPS卫星导航定位技术于 20世纪 80年代末引入中国 ,目前除在大地测量 (测绘,勘探 ),海上渔业,定位监控等方面广泛应用外 ,车辆导航也已经成为一个重要的应用。
目前 ,我国汽车导航产业还处于起步阶段.就硬件而言 ,由于 GPS系统最初是为美国军用 ,其核心技术主要由美国国防部掌握 ,因此国内导航企业无法全面掌握导航系统的核心硬件技术 ,还只能简单地引进或委托开发 ,没有自己的知识产权.即使拥有部分硬件技术 ,但也不够先进.目前国内的汽车导航系统大多还在采用发达国家几乎已经过时的光盘存储导航系统 ;新的硬盘导航和通信导航系统还没有得到应用.就地图而言 ,国家测绘部门提供的基础地图数据不能满足导航系统需要 ,地图更新慢 ,城市级电子地图不全 ,导致大部分导航系统在有些城市内成为盲区.而由于国家对地图的限制政策 ,市场上很难找到既合法又详尽的全国性导航电子地图.从从事导航产品开发的企业来看 ,尽管数量已经很多 ,但整体规模都较小 ,企业间缺乏联合 ,产业发展的整体规模效益没有得到体现.从用户范围来看 ,目前主要应用在特殊车辆的导航上 ,个人应用基本上限于专业用户 ,距离普及还相差甚远。
4 车辆导航产业发展的制约因素分析
总体来看 ,目前制约车辆导航系统发展的主要因素可以概括为以下 2个方面.
4 11 GPS本身的缺陷
首先 ,GPS的定位精度是制约导航精度的一个关键因素.目前 ,导航级的 GPS定位误差普遍在十几米至几十米之间 ,在路网相对密集的城市地区 ,GPS导航显得较为困难.其次 ,在城市峡谷 ,隧道,地下停车场等有遮挡的地方 ,GPS信号丢失问题严重.尽管借助罗盘定位,罗兰 (LORAN C,一种无线电远程导航技术 )等技术可以在一定程度上弥补GPS的部分缺陷 ,但由于设备和技术的增加 ,使得导航系统的成本增加 ,不利于系统的推广使用.
4 12 电子地图问题
电子地图是目前制约我国汽车导航产业发展的最大因素.车辆导航电子地图的全面性,准确性和现势性直接决定了卫星导航设备的功用.电子地图问题涉及如下几方面原因.
(1)落后的数据采集方式一直是制约我国地理信息建设的瓶颈 我国现有的 1:10 000等基本比例尺地形图大多是 20世纪 70～80年代生产出来的 ,在很多方面早已不能满足需要.
(2)导航电子地图制作精度低 ,现势性差
目前的制作方式主要是在原有地形图,航片或卫片的基础上 ,通过大量的人工调绘来采集所需信息(如交通标志,立交桥,建筑物等 ),然后将这些数据信息叠加到底图之上 ,再按照一定的格式加工成电子地图.这种制图方式本身就存在图像判读困难,主观影响大,成图精度低的问题.同时由于人工判读制图效率低等问题 ,也必然导致大比例尺地形图现势性差的问题.
(3)国家对地图的政策限制 ,从事导航地图的商家难以形成规模 出于国家安全的考虑 ,我国政府对地图数据进行控制 ,目前只有为数不多的几家公司具有合法生产地图软件的资格.我国目前处于对基础设施和道路进行大规模的升级改造阶段 ,需要经常对地图进行更新 ,单纯依靠国家的力量来制作和更新电子地图 ,不仅投入巨大 ,而且很难满足市场需求.而企业想参与 ,却又缺乏国家政策的支持 ,导致尽管大多数从事车辆导航的企业都拥有自己的电子地图格式 ,但由于地图标准不统一 ,导致各自为政 ,互不兼容.
(4)导航产品价格高 国内只有几家汽车导航厂商可以从事硬件制作 ,价格很难降.昂贵的价格使很多消费者望而却步.
5 我国车辆导航产业发展的有利条件
车辆导航系统作为 20世纪后期才产生的新兴技术 ,表现出了强劲的生命力.新一代导航系统的发展又面对着一系列有利条件.
(1)我国汽车产业,汽车电子产业,通信行业以及航天等相关产业的迅速发展和市场机制的日趋成熟 ,为车辆导航产业的发展奠定了良好的基础.
(2)在通信系统的选用上 ,又有了更新的发展.利用 130移动通信网短信息传输功能 ,能有效传送GPS导航和定位信息 ,这将为车辆导航与定位技术在我国大范围内的联网运行 ,提供一个很好的条件.
(3)欧洲伽利略导航系统 (中国是合作伙伴 ),中国北斗导航系统的正在形成 ,打破了美俄垄断导航系统关键技术的局面.这两大导航系统与美国GPS,俄罗斯全球导航卫星系统 (GLONA SS)形成竞争 ,将使车辆导航系统的精度进一步提高 ,民用化程度大大加快.
(4) 移动道路测量系统 (m obile m apping sys2tem ,M M S)的出现 ,通过在机动车上装配 GPS(全球定位系统 ),CCD (视频系统 ),IN S (惯性导航系统 )或航位推算系统等先进的传感器和设备 ,可以在车辆的高速行进之中 ,快速采集道路及道路两旁地物的空间位置数据和属性数据 ,并存储在车载计算机系统中 ,经事后编辑处理 ,形成各种有用的专题数据成果 ,如导航电子地图等.解决了新的道路发展要求电子地图快速动态更新的问题 ,导航电子地图数据采集与更新方式将不再是制约车辆导航系统发展的因素.
(5)消费者越来越追求方便实用的需求促使汽车导航系统的功能日趋完善.融合汽车通信与导航的综合信息平台成为未来汽车导航产品的发展趋势.这种平台将整合汽车通信和导航功能 ,成为一个可提供各种动态路况交通信息,汽车行驶信息,通信娱乐服务的综合汽车信息系统 ,可以播放 DVD /VCD /CD /M P3,接收电视,可视化倒车监控,车载电话,互联网以及车载办公等.
(6)旺盛的汽车导航市场需求 ,鼓舞了汽车厂家的决心 ,国内一些知名汽车厂家 ,如一汽集团,东风汽车公司,上海大众与上海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.
(7)测绘主管部门 ———国家测绘局已经注意到导航电子地图的开发对汽车电子导航产业进程的影响 ,正着手修订和完善相关管理法规 ,以适应当前市场需要.
总之 ,我国车辆导航系统产业的发展正处于有利时机 ,小型化,智能化,多功能化代表着其未来的发展方向.在市场需求和技术发展的推动下 ,随着各种客观环境的进一步完善 ,我国车辆导航系统将进入产业化阶段.
6 结论与建议
车辆导航系统作为 20世纪后期诞生的新兴技术 ,在短短 20多年的时间里 ,经历了 4代变革 ,展现了车辆导航系统与 GPS,惯性导航 (罗盘定位 ),通信,信息等高新技术发展的紧密联系.然而目前车辆导航系统的发展仍面临着定位精度差,国内电子地图管理政策不明朗,标准缺失等一系列问题 ,制约了这一产业在中国的发展.令人欣慰的是 ,车辆导航系统的发展迎来了相关产业迅速发展和市场机制日趋成熟,卫星导航系统快速发展,电子地图数据采集与更新技术的革新,市场需求旺盛,国家日益重视等一系列有利条件.在有利条件与不利因素并存的情况下 ,有利条件代表着发展的主流 ,因此我国车辆导航系统的产业化发展前景是乐观的.必须强调的是 ,尽管制约我国车辆导航系统产业发展的因素不是主流 ,但也不容忽视.因此针对目前存在的问题 ,作者建议如下：
(1)国家要尽快减少甚至取消地图政策的限制 ,并制订政策鼓励企业积极参与电子地图数据开发.对地图政策的限制虽然在一定程度上起到了保密的作用 ,但并不能达到绝对保密.目前国外高分辨率卫星已经可以做到利用遥感影像直接定位,提取地形 D EM 和各类设施等的信息.地图政策的限制在一定程度上阻碍了国内电子地图产业发展.
(2)国家需要尽快建立统一的地图标准.产业标准的统一是推动整个产业进入轨道,高速发展的必要因素之一 ,而这正是目前导航电子地图产业最缺乏的.因此 ,多个行业相关组织和公司机构都纷纷提出了关于地图标准不统一的问题 ,希望尽量打破当前市场上各自为政互不兼容的局面 ,避免低水平的重复建设 ,迫切希望达成导航电子地图产业的统一标准.标准的统一不仅可以节约企业资源 ,而且通过将企业在实际应用中开发的电子地图联入国家标准电子地图中 ,大大节约国家进行地图更新的成本 ,提高地图更新的效率.
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