汽车导航系统的诊断与修复

学习单元4．1　汽车导航系统的诊断与修复

学习目标

认识汽车导航系统的组成及工作原理，掌握汽车导航系统故障的的诊断与修复方法，能够排除汽车导航系统的故障。

随着汽车工业的发展，道路交通中“有路行不通”的问题越来越严重，同时，驾车在生疏地带行驶时，会迷失方向。为此，世界各国先后开发了各式各样的导向行驶系统，即汽车导航系统，如图4－1－1所示。汽车导航系统具有导航、防盗、调度、监测报警等功能。

图4－1－1　汽车导航系统

4．1．1　汽车导航系统的认识

1．汽车导航系统的特点

（1）导航系统由于采用了检测精度高、工作稳定性较好的角速度传感器，能实现实时位置测定。

（2）装备CD－ROM只读存储器，采用声控进行导航，使系统具有自动检索功能。

（3）采用GPS（Global Positioning System）全球定位系统及先进的检测手段和传播技术，引入了具有自动修正车辆位置的地图匹配技术，实现了自动修正车辆位置的功能。

（4）汽车导航系统正在实现与地面交通管理网络的联机，成为“汽车—道路—人—环境—交通管理”系统中的重要组成部分，加快了未来交通向智能化发展的速度。

2．汽车导航系统的功能

（1）具有路线检索功能：该系统可以实时获得汽车自身所在位置和目的地的坐标，以及全部行驶的直线距离、速度、时间及前进方向。还可以直接输入地名、经纬度、电话号码等进行路线检索，快捷地提供一条到达目的地的最佳路线。

（2）具有瞬时再检索功能：当最佳路线行不通时，系统可以进行瞬时自动再检索，重新提供出新的行车路线。因为该功能是在行驶中进行的，要求检索快速，所以CPU应具有高速运算能力。

（3）提供丰富的菜单和记录功能：为检索方便，整个系统必须建立十分丰富的地名索引，可以用街道、胡同、门牌号数、电话号码检索。大约应记录1 000万件住所地名，30万人口以上城市的电子地图应分十层表示。电话号码可根据不同局号、类别应记录1 100万件以上，还应留有用户自行设置电话号码的地址空间，供用户随时调用存取。

（4）可以新增兴趣点：由于城市处于不断的建设和发展中，新的建筑物和道路会不断增多，这就需要能够不断更新电子地图，可以将新的目标点或路线增加到电子地图上。这些新增的目标点与原有点一样，均可套用电子地图的各项功能。

（5）提供实时语音提示：为使驾驶员事先了解行驶中前方路面变化情况，系统应在适当时刻作出语音提示，一般道路在300～700m之前，高速公路按当前行驶速度在2 000m、1 000m、500m之前，分别向驾驶员说明前方路面情况及可更改的方向、十字交叉路口名称、高速公路分支点、进出口、禁止左拐、禁止驶入的单行线等提示，同时可进行中英文两种语音切换。配备语音识别单元，可以实现语音检索，例如用会话形式呼出“××区××街道××胡同”，电子地图上立即显示出汽车位置、到达目的地的时间、前进方向等信息。

（6）提供交叉路口全画面的扩大图：系统通过开窗程序自动表示交叉路口全画面、扩大十字路口路周围建筑物和交通标志，这是汽车导航中的一项最主要功能。凡行驶在十字路口前300m处、高速公路进出口前300m处，系统自动显示扩大了的十字路口附近的全画面图，指示汽车位置、交叉点的名称、到交叉点的距离、拐弯后的道路名称及方向等。

（7）具有扩展功能：系统设有多种扩展接口，可以与交通管理部门、邮电部门、建筑部门的VICS、ATIS、IIS联网，以便及时了解路面车辆情况。

VICS专门收集和处理各方面交通信息和停车场空缺的信息，并不断生成新的信息，通过多路调频发射、一般道路上设置的远红外光标的发射和高速公路上设置的无线电波光标发射，这三种手段提供道路实时交通信息，然后由VISC专用接收机接收，在电子地图上分三层显示：第一层用文字表示，第二层用图形表示，第三层用图形表示。地图画面上用红色和橙色线路的亮灭表示道路的堵塞和拥挤状况，用绿色线路表示通畅的路线。帮助行驶车辆回避堵塞和拥挤的路段，实现自动选择道路和无阻挡行驶。交通信息通信系统框图如图4－1－2所示。

（8）导航系统和娱乐系统部件共用：许多导航部件可与娱乐设备集成为一体，导航系统中的导航信号接收机、控制系统、存储器、可视显示设备、声音设备等可同时支持导航和娱乐。

集成收放机可由AM／FM收音机、GPS、蜂窝电话和寻呼信号共用。CD－ROM、硬盘或内存卡可用来作为外部存储器，同时，CD－ROM播放器可用来存储数字地图库和导航软件，也可播放音乐；内存卡可作为导航系统的存储设备，也可用于其他的移动办公设备。显示监视器可用于导航地图显示和商业TV台。扬声器可用于聆听引导指令、普通AM／FM广播和免提蜂窝电话。

图4－1－2　交通信息通信系统框图

3．汽车导航系统的组成

汽车导航系统的组成如图4－1－3所示，主要由CD－ROM驱动器、GPS接收天线、GPS接收机、计算机、液晶显示器、位置检测装置等组成。系统的工作原理如图4－1－4所示，系统根据GPS全球卫星定位装置确定绝对位置，根据方向传感器确定相对位置，根据轮速传感器确定车辆行驶距离，由CD－ROM驱动器读取电子地图数据，经过导航计算机计算出车辆所在位置的准确经度和纬度以及速度和方向，并在显示器上显示出来，同时，可以通过语音电路实现语音导航和语音提示。

图4－1－3　汽车导航系统的组成

图4－1－4　汽车导航系统的工作原理

（1）GPS全球卫星定位装置：该系统最初是由美国国防部开发的用于军事目的一种系统。出于军事原因，在将这个系统用于民用时，采取了特殊方法将发送的定位用卫星数据的准确度故意降低了，同时发送的用于军事目的的准确数据都带有密码，民用GPS接收器无法将这些数据解码。民用卫星数据定位精度只能达到±100m。

如图4－1－5所示，GPS目前总共由24个卫星组成，这些卫星位于21 000km的高空，并均匀分布在6个轨道上，每12h绕地球转一周，并发出无线电波。这种布置在理论上可以使得地球上的每一点都可至少与4个卫星进行无线联系。如要想精确定位，至少需要接收到3个卫星的信号。

图4－1－5　GPS全球定位系统

车用GPS全球卫星定位装置由GPS接收天线和GPS接收机组成。GPS天线是工作频率为1 575．42MHz的圆环型微带有源天线，其增益按系统总体增益分配确定。GPS接收机采用8通道（或12通道）GPS接收机。如图4－1－6所示，GPS接收器根据从4个或更多GPS卫星（三维定向）所接收无线电波的时间差，来计算汽车的三维位置（纬度／经度／高度）。如果仅能够接收到来自3个GPS卫星的无线电波，GPS接收器只能计算出二维位置（纬度／经度），而高度位置是由先前从4个或更多GPS卫星（二维定向）所接收无线电波所计算出来的。

图4－1－6　GPS确定汽车的位置

（2）自律导航系统：如图4－1－7所示，当汽车行驶在地下隧道、高架桥下、高层楼群、高山群间、密集森林等地段，与GPS卫星失去联系，中断信号的瞬间，可自动导入自律导航系统。此时导航计算机可根据轮速传感器检测汽车行驶的速度，进而根据车速和时间求出前进距离；方向传感器检测车辆行驶角速度变化值，进而确定行驶方向及其变化。当汽车行驶在沟状山道、发夹式弯路、环状盘形桥、雪道原地打滑、轮渡过河等地段时，这些曲线距离与卫星导航的经纬度坐标产生了误差，只有通过陀螺传感器的检测和微处理器的运算才能得到汽车正确的位置。

图4－1－7　车辆与GPS卫星失去联系

（3）地图匹配器：由GPS卫星导航与自律导航所测得的汽车坐标位置数据及前进的方向与实际行驶轨迹存在一定误差。为修正此误差，确保两者在电子地图上路线坐标相统一，需采用地图匹配技术。即在导航系统控制电路中增加一个地图匹配电路，对该误差进行实时数字相关匹配，作出自动修正，得到汽车在电子地图上指示出的正确位置路线，从而可完成高精度导航。地图匹配器修正路线如图4－1－8所示。

图4－1－8　地图匹配器的修正路线

（4）LCD显示器：平板显示器的发展趋势表明，薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器（TFT AM LCD）是一个发展方向，因为它的每个像素都配置一个半导体开关器件来驱动，从而实现了高亮度视频图像显示，具有对比度好、扫描线多、视角宽、低反射等优点。日本已把三基色（RGB）TFT AM LCD制定为导航用标准显示器。

（5）CD－ROM驱动器：采用4倍速650MB的CD－ROM驱动器，使驱动器能够更快地从光盘上读取数据，快速送达CPU进行处理，缩短LCD画面上频繁显示执行程序的时间和读取数据的等待时间，使LCD显示效果的不连续性得到平滑处理，保持了声音和图像的同步。

（6）方向传感器：采用的方向传感器包括罗盘传感器、轮速传感器和陀螺仪。罗盘传感器是一个利用电磁感应原理工作的地磁矢量传感器，通过检测地球的磁场确定汽车的绝对行驶方向。轮速传感器与ABS系统中的轮速传感器共用，可以通过检测左右车轮转速传感器的输出脉冲差，确定汽车转弯方向上的变化。陀螺仪通过检测汽车转向角速度确定汽车行驶方向。

（7）RF调制解调器和RF天线：通过RF调制解调器和RF天线建立与交通信息系统（VICS）的联系，得到交通堵塞、道路障碍、施工、停车场情况以及交通规则变化等实时交通信息，使驾驶员快速反应，解决城市交通堵塞问题。

（8）导航计算机：能够根据GPS全球卫星定位装置接收到的卫星信号、方向传感器信号和存储器中的地图数据，经过计算处理和综合的图像协调，再通过显示器显示车辆的行驶信息。

为满足汽车导航高精度快速数据处理的要求，导航计算机选用32bit（或64bit）嵌入式实时操作的CPU。因为嵌入式CPU适合于过程控制，如实时操作处理。尤其是正在兴起的仿PC结构的嵌入式微处理器，除具有嵌入式过程控制外，还具有PC机的丰富软件支持，这对于高速行驶的汽车快速处理数据是非常适用的。

4．汽车导航系统的分类

（1）按汽车导航系统功能分类，可分为单一功能的导航系统和多功能的导航综合系统。汽车导航综合系统综合了汽车导航、监控，防盗、旅游、交通控制与调度等系统。

（2）按车辆信息是否实时返回控制中心分类，可分为汽车开环导航系统和汽车闭环导航系统。

汽车开环导航系统：从控制中心或电台、卫星传感器等得到定位、方位、方向等信息，根据这些信息和电子地图可以定出起点到终点最短行驶距离，但汽车的信息不能返回控制中心。汽车无法获得前方道路的交通信息，控制中心无法获得汽车行驶信息。

汽车闭环导航系统：汽车可以不断向控制中心返回行车实时信息。控制中心可以对汽车进行调度，使汽车在最短时间到达目的地；汽车可以将行驶状况报告控制中心，使控制中心了解出现的问题和车辆方位，以便营救。

（3）按有无引导功能分类，可以分为无引导功能的导航系统和有引导功能的导航系统。

无引导功能的导航系统只是简单的电子地图，无引导功能。驾驶员可以从车上CD－ROM存储器中调出本国城镇的方位、主干道、高速公路、桥梁等交通信息，也可以通过键盘方便地找到要到达的目的地，以及行驶路线的各种信息，帮助驾驶员选择行车路线。

有引导功能的导航系统分为内部信息导航系统和无线电导航系统。内部信息导航系统利用车上的方向传感器检测汽车行驶方向和方位，无线电导航系统利用定位卫星或地面无线电检测汽车行驶方向和方位。内部信息导航系统分为地磁导航系统和惯性导航系统：无线电导航系统分为GPS导航系统和固定电台导航系统，固定电台导航系统又分为中心电台导航系统和路边电台导航系统。

地磁导航系统：利用地磁传感器（罗盘）检测汽车行驶方向，利用车速传感器检测行驶距离，利用计算机计算出汽车的行驶轨迹以及到达目的地的方向、剩余距离等，并在显示器上显示出来。

惯性导航系统：利用陀螺仪检测汽车行驶方向，其他设备及功能与地磁导航系统一样。

GPS导航系统：利用GPS信息接收装置接收定位卫星发射的导航信息，经过计算机计算处理后。可以得到汽车行驶的方位、速度、到达目的地的直线距离和已行驶里程。

中心电台导航系统：是一个集导向、汽车监控、防盗等功能为一体的综合系统。一般以几十到几百千米为半径设一个中心站，除接收CPS信息外，还收发各个汽车的导航、防盗等综合信息，可以显示出任一个汽车的实时轨迹。较大的系统设一个中心站，下设若干个子站，每个子站带若干个汽车，以扩大监控范围和导航的汽车数。

路边电台导航系统：是一个集交通控制和导航为一体的综合系统。在高速公路的路边，每隔几百米到几千米设一个小功率电台，每到一个电台，汽车上的小功率收发机和交通控制中心交换一次信息，达到交通控制与导航的目的。

4．1．2　汽车导航系统的诊断与修复

1．宝来轿车导航系统的诊断与修复

宝来轿车的导航系统还带有高质量RDS轿车收音机，所以该系统不但具有卫星导航功能，还兼备收音机的功能。该系统配备有RDS无线电接收器、127mm（5in）彩色液晶显示屏、带有GPS卫星接收器的导航系统和CD－ROM驱动器。宝来轿车导航系统的连接如图4－1－9所示，导航系统的故障码诊断如表4－1－1所示。

图4－1－9　宝来轿车导航系统的连接

表4－1－1　宝来轿车导航系统的故障码诊断

2．别克林荫大道轿车导航系统的诊断与修复

别克林荫大道轿车导航系统电路图如图4－1－10所示，部件安装位置如图4－1－11所示，常见的故障症状及排除方法有以下几种情况。

图4－1－11　别克林荫大道轿车导航系统部件的安装位置

（1）导航系统DVD读出故障；导航系统不能起动或没有可行的输入目标。导航系统DVD ROM数据的处理是一个相当复杂的技术过程，不能和音乐CD直接比较。因此，数据面上的指印或积灰会导致读盘故障。只有光盘的外部边缘或中心孔可以触碰。应该用一块软布从中心孔向外部边缘轻轻地擦去数据面上的指印或灰尘，导航功能应该恢复正常。在这种情况下，不必更换设备。

（2）暂时性的导航系统DVD读出故障。在外界温度低或空气湿度非常大的情况下，在导航系统DVD激光头上可能产生露珠。在这种情况下，系统将需要用稍微长的时间来计算路线。在结露的情况下，音响系统不能聚焦激光读取光盘数据。一旦受热，露珠将在短时间内蒸发，系统也将再次正常运行。

（3）导航系统偏离道路。有时，GPS卫星也可能发送错误的数据或变化的信号值，也会由于多路径接收情况造成反射导致GPS接收发生故障。更甚者，美国国防部可能完全停止GPS信号的提供。

（4）无法选择预期目的地，或者在路线指导过程中系统暂时偏离道路。导航系统可能偏离道路，例如，客户使用了新建的道路但它在导航系统DVD上还找不到。在停车库中或者在隧道或峡谷中行驶也可能出现这种暂时性的偏离道路情况。因为这种情况下导航系统无法正确接收卫星信号，而且停车库是非数字化区域。故障的其他原因可能是使用了陈旧的DVD数据盘。

（5）客户没有得到所需的导航路线指南。对于初次使用导航系统的客户来说，如驾驶员选择了一个著名的目的地，他期望系统给出的路线与他平时使用的路线完全一样。但是，实际上这是不必要的。导航系统使用复杂的数学算法计算出一条可能和客户预期有差别的路线。然而，系统将提供几种不同的路线计算选项：推荐的路线、优先选择高速公路、无通行费路线、选择最短的可行路线、个人设置路线等选项。有关到达目的地的路程和时间的路线计算结果，取决于所选择的路线选项。

（6）输入的目的地（街道名称）与邮政编码不匹配。在使用邮政编码选择目的地时，系统将只列出那些带有选定的邮政编码的街道作为目的地。可能会发生客户输入了错误的邮政编码。在这种情况下，导航单元在地址目录表中将找不到选择的街道，因此，无法提供路线指南。在与客户交谈时，请在“必须确认预期目的地的邮政编码正确”下面划线。另一种方法是，将城市名称也以字母数字方式输入（请注意：在大城市中，同样的街道名称可能被用在不同的行政区）。

（7）导航系统路线指南中断。可能是由于导航CD／DVD的积灰或者光盘的划伤，使导航系统无法读出所需的数据。

（8）自刻录的导航DVD引起的导航系统故障。由于市售的DVD质量不同和采用的刻录标准不同（DVD－R／DVD－RW／DVD＋R／DVD＋RW／DVD－RAM），导航数据不能100%地被存储在自刻录的光盘上，导航模块无法正常读取数据。只有原版的DVD数据盘才能使路线计算更为安全可靠，从而产生完美的导航效果。

案例分析

案例：GPS天线放大器故障导致车辆导航系统无法定位。（来源：中国易修网）

车型：2010款奥迪a6l2．8lfsi轿车，行驶里程1065km。

症状：用户反映该车导航系统不好用，多媒体交互系统显示屏上的汽车光标停滞，其他功能均正常。

诊断：首先连接vas5052a故障诊断仪，读取故障码，无故障码。考虑到在汽车维修车间里存在建筑物屏蔽效应和信号干扰，会导致收不到GPS同步卫星信号，于是进行道路测试。路试中发现不管该车行驶到何方位，光标都不动。

该车配备mminavigationplus高级版本硬盘导航系统，信息电子设备控制单元J794由原前部信息控制单元J523、单碟DVD驱动器、导航系统控制单元J401、电话收发器R36、语音输入控制单元J507以及外部音频控制单元R199（audi音乐接口）高度集成，其中J794作用是控制most总线上的设备通信，读取来自多媒体系统操作单元E380的信息，控制和诊断用于显示mmi的显示器J685，通过数据总线诊断接口J533与组合仪表J285通信显示mmi信息。

检查信息电子设备控制单元J794及天线线路，未见异常。按下mmi操纵面板左下角上的导航信息按键，无论车辆行驶到哪个方位，在mmi显示屏上，所显示的GPS同步卫星个数始终为0，没有变化，看来汽车始终没收到卫星信号，导致汽车导航系统无法定位。

信息电子设备控制单元J794内没有故障码，基本可说明J794是没问题的，而且天线线路连接也正常，因此怀疑问题是出在天线放大器上。

修复：拆下后挡风玻璃上绝缘装饰板，在左侧找到天线放大器R50，将其更换。此时再次按下mmi操作面板导航信息按键，mmi显示屏上立刻显示有4个卫星，车辆导航功能恢复了，至今该车导航系统运转正常。

分析：如果不能在mmi屏地图上显示汽车位置，就等于没收到GPS信号，重点应检查天线或天线放大器。

测试习题

一、填空题

1．VICS专门收集和处理各方面交通信息和停车场空缺的信息，并不断生成新的信息，通过________、_________________和______________这三种手段提供道路实时交通信息。

2．汽车导航系统主要由______________、______________、______________、______________、______________和______________等组成。

3．汽车导航系统根据______________确定绝对位置，根据______________确定相对位置，根据______________确定车辆行驶距离，由______________读取电子地图数据，经过______________计算出车辆所在位置的准确经度和纬度以及速度和方向，并在______________上显示出来，同时，可以通过______________实现语音导航和语音提示。

4．GPS目前总共由______________个卫星组成，这些卫星位于______________km的高空，并均匀分布在______________个轨道上，每______________小时绕地球转一周，并发出无线电波。要想精确定位，至少需要接收到______________个卫星的信号。

5．地磁导航系统利用______________检测汽车行驶方向，惯性导航系统利用______________检测汽车行驶方向。

二、判断题

1．导航系统能实现实时位置测定。　　　　　　　　　（　）

2．当新的建筑物和道路不断增多时，由于电子地图不能添加新的目标点或路线，这就需要更换电子地图。　　　　　　　（　）

3．当最佳路线行不通时，系统可以进行瞬时自动再检索，重新提供出新的行车路线。　　　　　　（　）

4．凡行驶在十字路口前1 000m处，高速公路进出口前1 000m处，系统自动显示扩大了的十字路口附近的全画面图。　　　　　　（　）

5．无线电导航系统包括GPS导航系统和中心电台导航系统。　　　　　（　）

6．在外界温度低或空气湿度非常大的情况下，在导航系统DVD激光头上会产生露珠，导致暂时性的导航系统DVD读出故障。一旦受热，露珠将在短时间内蒸发，系统也将再次正常运行。　　　　（　）

三、问答题

1．什么是汽车自律导航系统？

2．地图匹配器的作用是什么？

3．什么是汽车开环导航系统？什么是汽车闭环导航系统？