（计算机软件与理论专业论文）车辆导航定位和监控系统的研究与实现.pdf

摘要 智能交通系统( 简称i t s ) 是当前国际道路交通和运输科技发展的前沿。我国 政府在继续加快基础设施建设的同时，结合中国的国情特点，也提出将智能交通 系统作为我国未来交通运输领域发展的重要方向和优先给予重点支持。 车辆导航定位系统是智能交通的最基本的单元，而监控及指挥系统是管理者 进行管理的基本工具。本论文首先介绍了车辆导航系统的基本构成及相关联的地 理信息系统( 简称g i s ) 的基本情况，并总结了该领域的最新发展。然后结合个 实际的车辆导航定位系统的设计开发过程和监控系统部分基础模块的搭建，讨论 了车辆导航定位及监控系统开发中所遇到的一些问题及其解决方案。 在实际的基于g p s 、陀螺、里程仪和电子地图的车辆定位系统的开发过程中， 作者着重对其中出现的超前滞后现象进行了研究，并提出基于道路转弯处的“确 定转折点算法”和“角度累加算法”。确定转折点算法的关键是确定对应道路转 弯点的车辆位置点，适合用两条直线表示道路转弯的较为简单的电子地图。角度 累加算法是在道路转弯处，不断用陀螺仪提供的角速度累加值和道路转弯角度作 匹配，检测和校正超前滞后，适合用多条连续的短线段表示道路转弯的高精度的 电子地图。实验证明角度累加算法更简便实用，能够有效的消除超前滞后现象。 为了更好的支持车辆定位系统读取地图数据的需要，作者对原来系统中的地 图处理函数及其功能进行了扩充；为方便对系统进行测试，还设计开发了记录正 确道路的模块，使得能够更方便地对行车路线进行测试和比较。 通过实际测试发现，所开发的车辆导航定位系统能够充分利用g p s 、陀螺、 里程仪提供的信息并将它们进行融合，结合地图匹配技术，及时修正各种大的误 差，消除超前滞后现象，提高车辆定位的准确度。 在监控系统的开发中，作者使用a p a c h e + p h p + m y s q l 组合，在l i n u x 平 台上，构建了监控中心的电子地图网。蚶，并说明了如何在此基础上构建功能更加 完善的车辆监控系统及其未来发展方向。 关键 司：智能交通，车辆导航定位系统，地图匹配，确定转折点算法，角度累 加算法 a b s t r a c t i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s 、i sc u r r e n t l y t h ef r o n tl i n ei nt h e t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n to fi n t e m a t i o n a lr o a dt r a f f i ca n dt r a n s p o r t a t i o n o u rc o u n t r y a l s ob r i n g sf o r w a r dt om a k ei t st h em a i nd e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h ef u t u r et r a f f i c t r a n s p o r t a t i o ns y s t e ma n dg i v e si tp r i o rs u p p o r t v c h i c l en a v i g a t i o np o s i t i o n i n gs y s t e mi st h em o s tb a s i cu n i ti ni t s w h i l e m o n i t o r i n gs y s t e m i st h em a i nt o o lf o ra d m i n i s t r a t i o n i nt h i st h e s i s ，ab r i e f i n t r o d u c t i o ni sg i v e nf i r s tt ot h ev e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e ma n dg i s a n da l s ow i t h t h eu pt od a t ed e v e l o p m e n ti nt h i sd o m a i n t h e nt h ed e v e l o p m e n to fa na c t u a lv e h i c l e p o s i t i o n i n gs y s t e mi s d i s c u s s e di nd e t a i l t h ec o n s t r u c t i o no ft h ed i g i t a l m a pi n m o n i t o rc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e m o n s t r a t e df i n a l l y i nt h ed e v e l o p m e n to ft h ea c t u a lv e h i c l ep o s i t i o n i n gs y s t e mb a s e do nt h eg p s ， g y r o ，o d o m e t e ra n dd i g i t a lm a p ，i n v e s t i g a t i o nh a sb e e nm a d ef o rt h ep h e n o m e n ao f l o c a t i o ne x c e e d i n ga n dd r a g g l i n ga p p e a r e di nt h ev e h i c l ep o s i t i o n i n gp r o g r e s s ，a n d t w oa l g o r i t h m sa r ep u tf o r w a r d w h i c ha r e “c o n f i r m i n gt u r n i n gp o i n ta r i t h m e t i c a l g o r i t h m ”( c t p a a ) a n d “a n g l ea c c u m u l a t i o na r i t h m e t i ca l g o r i t h m ”( a a a a ) ， b o t hb a s e do nt h er o a dt u r n i n gp o i n t t h ec r u xo fc t p a ai st od e t e r m i n et h ev e h i c l e p o s i t i o np o i n tc o r r e s p o n d i n gt o t h er o a d t u r n i n gp o i n t t h i sa l g o r i t h ma d a p t s t o s i m p l yr o a dc o n d i t i o n sw h i c hu s et w ol i n e st od e s c r i b et h er o a dt u r n a a a au s e s a n g l ea c c u m u l a t i o nv a l u ep r o v i d e db yg y r om a t c h i n gw i t ht h er o a dt u m i n ga n g l et o d e t e c ta n dr e v i s el o c a t i o ne x c e e d i n ga n dd r a g g l i n g t h i sa l g o r i t h ma d a p t st oh i g h a c c u r a c yd i g i t a lm a du s i n gm a n yc o n t i n u o u ss h o r tl i n e st o d e s c r i b er o a dt u r n t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a ta a a ai sn o to n l ys i m p l e ra n dm o r ep r a c t i c a lt h a n c t p a a b u ta l s om o r ee f f e c t i v eo ne l i m i n a t i n gt h el o c a t i o no fe x c e e d i n ga n d d r a g g l i n g i no r d e rt oa c c e s st h ed i g i t a lm a pm o r ec o n v e n i e n t l yf o rt h ev c h i c l e p o s i t i o n i n g s y s t e m ，t h ef u n c t i o nl i b r a r yo ft h ed i g i t a lm a 口i sw r a p p e da n ds o m ef u n c t i o n sh a v e b e e na d d e dt oe x t e n da n de n h a n c et h ea c c e s sf u n c t i o n s ac o r r e c t r o a d r e c o r dm o d u l e h a sb e e nd e s i g n e dt or e c o r dt h ea c t u a lp a t ho ft h ev e h i c l e w h i c hi su s e dt os u p p o r tt h e t e s to ft h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h et e s tf o rt h el a r g ea m o u n to fs a m p l ed a t as h o w st h a tt h ed e v e l o p e dv c h i c l e n a v i g a t i o np o s i t i o n i n gs y s t e m c a ne f f e c t i v e l yu s ea n dm a k ef u s i o no ft h ei n f o r m a t i o n p r o v i d e db yg p s ，g y r o ，o d o m e t e r w 协t h eh e l po f t h em a pi n f o r m a t i o n ，t h es y s t e m c a nc o r r e c ta l lk i n d so f b i ge r r o r si nt i m e ，e l i m i n a t el o c a t i o ne x c e e d i n ga n d d r a g g l i n g ， i r e p r o v et h ea c c u r a c yo fv c h i c l ep o s i t i o n i n g i nt h ed e v e l o p m e n to fm o n i t o rc o n t r o ls y s t e mm o d u l e ，a ne l e c t r o n i cm a pw e b s t a t i o ni sc o n s t r u c t e dw i t ha p a c h e + p h p + m y s q l o nl i n u xp l a t f o r m i ti sa l s o d i s c u s s e do nh o wt oc o n s t r u c tam o r ep e r f e c tm o n i t o rc o n t r o ls y s t e m a n dt h e d e v e l o p m e n t d i r e c t i o no ft h em o n i t o rc o n t r o ls y s t e mi sf o r e c a s t e d k e y w o r d s ：i t s ，v e h i c l en a v i g a t i o np o s i t i o ns y s t e m ，m a pm a t c h i n g ，c o n f i r m i n g t u r n i n g p o i n ta r i t h m e t i ca l g o r i t h m ，a n g l ea c c u m u l a t i o na r i t h m e t i ca l g o r i t h m i i 北京邮f 也大学硕士学位论文 第1 章前言 1 1 智能交通系统发展现状 八十年代以来，世界一些发达国家纷纷投入智能交通系统的研究与开发。二 十一世纪后，智能交通系统已成为国际交通运输系统发展的方向。 我国是一个发展中国家，随着经济的高速发展，城市化、汽车化进程加快， 导致交通拥挤、事故增多、环境污染等问题目益恶化。同时随着我国加入w t o ， 我国交通行业建设也应该逐步与世界接轨，但是我国在智能交通方面还处于刚刚 起步阶段，电子化、信息化、智能化的程度还很低，现行的交通行业发展状况还 不能满足现代化交通发展需要。研究适合我国国情的智能交通系统发展模式和技 术，不仅为我国智能交通系统的开发、应用及产业化奠定基础，还能进而带动其 它行业的发展。我国政府在继续加快基础设施建设的同时，提出将智能交通系统 作为我国未来交通运输领域发展的重要方向和优先给予重点支持。 智能交通系统需要重点解决车辆自主导航、监控调度系统、现代通信、智能 决策等关键技术。 为实现车辆导航，个关键的问题就是要准确地知道车辆当前所在的位置， 也就是车辆定位技术。微电子技术、计算机技术、空间技术及制图技术的发展使 车辆导航定位技术获得了飞速的发展。目前，随着g p s 定位技术的出现，并结合 其它导航系统( 如d r ) ，车辆定位系统可基本确定车辆的位置。 虽然车辆大部分时间是行驶在实际的道路上的，但因为硬件误差和干扰，基 于g p s 、陀螺和里程仪的车辆定位系统天生并不具备将车辆定位到实际道路上的 能力。当车辆定位系统和g i s 集成后，便可以通过地图匹配弥补它的天然不足。 在今天的导航系统中，应用g i s 组织管理路网空间数据农属性数据，并对路网 建立拓扑关系。g p s 接收机实时接收卫星信号并转换为坐标信息，与地图数据进 行匹配。这是一种典型的g p s 与g i s 集成形式。 车辆监控调度系统在智能交通系统中的应用也是相当广泛的。它是集g p s 、 g i s 和现代通信技术于体的高科技系统。借助现在先进的通信方式，如g s m g p r s c d m a 网络，能够实现监控中心和车辆终端信息互通。车辆终端通过无线 北京邮电大学硕士学位论文 通信设备将自己的位置和其他信息传送至监控中一t l , ，监控中心可以将车辆显示在 电子地图上，随时跟踪和监控车辆的行驶情况。 在上述车辆导航定位和监控系统的发展过程中，g i s 都起到了重要的推动作 用。所以，智能交通系统的发展离不开g 1 s 。 1 2 论文内容简介 本论文首先介绍了车辆导航系统的基本构成及相关联的地理信息系统的基 本情况，并总结了该领域的最新发展。之后，结合一个实际的车辆导航定位系统 的设计开发过程和监控系统部分基础模块的搭建，讨论了车辆导航定位及监控系 统开发中所遇到的一些问题及其解决方案。 论文结构如下： 第二章是车辆导航系统和g i s 概述，主要介绍车辆导航系统和g i s 的基本情 况，并总结了该领域的最新发展： 第三章是车辆定位系统介绍，主要介绍车辆定位系统的体系结构，组合定位 子系统和地图匹配子系统的结构和主要功能模块，以及系统的开发过程。 第四章是车辆定位系统中超前滞后校正模块的设计，内容包括超前浠后产生 的原因以及两种解决方法确定转折点算法和角度累加算法。重点介绍确定转 折点算法和角度累加算法的设计思想和两种算法的比较。 第五章是车辆定位系统中两个辅助模块的设计，内容包括地图处理函数的扩 充和记录正确道路模块的详细设计说明。 第六章是车辆监控系统的设计与实现，介绍车辆监控系统的体系结构，以及 使用a p a c h e + p h p + m y s q l 组合在l i n u x 平台上构建监控中心的电子地图网站 的设计和系统的扩展。 最后对全文作以总结。 2 一 北京邮电大学硕士学位论文 第2 章车辆导航系统和g i s 概述 2 1 车辆导航系统 智能交通系统将成为今后交通发展的主要方向。作为智能交通系统重要组成 部分的车辆导航成为了研究的热点。导航系统帮助司机选择最佳路径，提高效率， 为司机提前提供道路信息，例如道路转弯、交通事故易发区的提示，降低交通事 故发生率。 微电子技术、计算机技术、空间技术及制图技术的发展使车辆导航系统获得 了飞速的发展。目前，随着g p s 定位技术的出现，并结合其它导航系统( 如d r ) ， 车辆定位系统可确定行驶在每个街道和十字路口的车辆的准确位置。 下面简单介绍车辆导航系统中的一些基本知识。 2 1 1 车载导航系统的构成 车载导航系统是一个3 2 位c p u 控制的嵌入式计算机系统。有r o m 、s r a m 、 d r a m 、c d r o m 等存储体，g p s 信号接收装置，压电震动陀螺仪，显示信号处 理装置，车速感应器，r g b f f v 信号输出口等等。存放嵌入式o s 、程序、数据、 符号、字库等，嵌入广播、电视、磁带播放设各，与汽车电子电路接通，共享部 分硬件，如用汽车电源供电，共享汽车音响设备，部分功能受刹车控制。 系统外观有两部分，一部分为驾驶台面前用嵌入式或外挂式操作显示部分， 一部分是与车体接线、电路装潢等有关的接口件。汽车电子线路器件与它关联， 原车f m 、c d 等被替换，音箱系统可被利用。g p s 信号由g p s 天线接受，传入 系统，校正转换坐标系统后与地图套和显示。g p s 接收机是内置的o e m 板，集 成在机体内。 电子地图及其相关数据，存放在光盘上，可以随时更换光盘。光盘上的数据 主要有交通道路信息，交通管制信息，地名，电话等信息。 2 1 2 车辆导航功能 一个典型的车载导航系统应该具备的功能： 地图的显示、缩放、漫游、图形的任意旋转； 查询功能，属性与图形的相互查询； 3 北京邮电大学硕士学位论文 最佳路径的搜索、邮路的选择，都可任意设置可经由点、不可经由点： 最佳路径导航和随机导航两种导航方式； 实时显示车的当前位置和轨迹； g p s 漂移误差的纠正： 当g p s 信号丢失时，推估车的当前位置； g p s 坐标与地图匹配，驾驶方向的确定，根据驾驶方向实时地把前进方向 调整到正北方向； 行车道路、位置、到达目的地等丰富的声音、文字提示： 可以摆脱传统的鼠标、键盘输入，采用声音输入，而且不需要口音适应。 2 1 3 车辆导航系统的分类 ( 1 ) 驾驶信息系统 驾驶信息系统为驾驶员提供各种形式的有利于决定如何到达目的地的导航 信息，范围可包括从最小的方向信息到根据实时的分步路线引导指令得出距目的 地的直线距离。 ( 2 ) 交通管理系统 车载路线引导系统在改善交通方面的潜力早己被人认识，事实上n - n n 是 六十年代末期美国联邦公路局e r g s 工程的中心，即使这一研究到目前为止仍仅 限于美国本土，但在日本和欧洲它己成为发展社区导航和路线引导系统的基础。 ( 3 ) 车队管理系统 多年来各种远距离监视汽车位置和状态的系统已成为车队管理的重要手段， 特别是车队调度控制和警车调遣。车队汽车提供的位置信息几乎是一成不变地通 过无线网络同调度中心通信，而不是作为导航信息提供给驾驶员。 2 1 4 车辆导航系统中的定位技术 ( 1 ) g p s 定位 g p s 已成为车辆导航系统的基础。g p s 是由美国国防部( u s d e p a r t m e n to f d e f e n s e d o d ) 开发的一套基于卫星的无线导航系统，包括2 4 颗可操作的工作 卫星。每颗g p s 卫星时刻发布其位置和时间数据信号，g p s 接收机可以测量每 颗卫星信号到接收机的时间延迟，根据信号传输的速度就可以计算出接收机到不 同卫星的距离。同时收集到至少四颗卫星的数据时就可以解算出三维坐标、速度 d 北京邮电大学倾士学位论文 和时间。因此安装在车辆上的g p s 接收机能提供连续的实时定位信息：经度、 纬度、速度、方向。 ( 2 ) 组合定位系统 目前，最常用的组合定位方式是g p s 与惯性系统组成的d r 的组合。 ( 3 ) 集成g i s 的定位 集成g i s 的定位是利用电子地图信息，提高定位精度的方法。第三章至第四 章介绍的车辆定位算法采用的就是组合定位技术和电子地图匹配技术相结合的 方法。 2 1 5 车辆导航系统中的最佳路径搜索 计算最佳路径时，采用经典图论中的d q s t r a 算法，也称标号法。d i j s u a 算法 把结点标记为临时性的t 标号点和最终选定的p 标号点，并把起点作为第个p 标号点，然后按照最短路径的原则逐个选出t 标号点中的p 标号点，并按p 标 号点扩展t 标号点集，直到目标点( 或所有的点) 被标为p 标号点。从起点到终点 的p 标号点序列就代表了所求的最佳路径。 为了把d i j k s t r a 算法用于实际的道路网中，需要加入对回避点的处理。即能 够在计算最佳路径时，避开指定的回避点。另外，也对起点和终点是线段内点的 情况进行了处理，使路段中间的点也能被选为起点、终点或回避点。 由于城市道路比较复杂，路网数据的数据量很大，因此，为了提高搜索时间， 还可以采用广度优先的搜索法，即先在一定限制搜索范围内搜索路径，然后逐步 扩大这一范围，直到找到最佳路径。 在道路网中，通常以路径总长最短为路径的最佳标准，但也可以选择像路宽、 车流量、车速限制等因素作为判断因子。例如，可以用路段长度除以道路宽度作 为判断标准，在这种标准下选出的最佳路径就可以避开那些较窄的路段。 2 2 g i s 地理信息系统( g i s - - g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是通过计算机技术，对 各种地理环境信息进行采集、存储、检索、分析和显示。包括数据选择和规范化、 资料编辑预处理、数据输入、数据管理、数据分析应用和数据输出、制图六个部 分。野外调查、地图测绘、遥感、环境监测和社会经济统计等各种途径获得的信 一5 一 北京邮屯大学硕士学位论文 息，都可以通过这一系统组成一个数据库。 2 2 1 g i s 简介 地理信息系统可运行在监控终端和车载终端。它可以对电子地图中的各种地 物迸行矢量化，分为多个图层；可按任意比例尺缩放，调整地图显示到最佳状态； 可按经纬度坐标及比例尺动态显示、重点目标的图片、文字显示等。 系统功能： ( 1 ) 提供各种地图查询服务 在城市地图中查询单位、街道及街区等； 查询指定点一定范围内某类移动目标( 警车、急救车、消防车、出租车等) 的分布状况； 查询、显示公路，水系，旅游景点，市内街道，机关单位，酒店住宿， 加油站等特定目标的位置及信息。 ( 2 ) 制定优选路线 测量任意两点间距离，确定最短路径、耗时最少路径或花费最少路径， 制定优选路线。 ( 3 ) 对地图进行快速定位 将主窗口任意定位到所需的地图上。 一个g i s 系统中最重要的部件就是数据。地理数据和相关的表格数据可以自 己采集或者从商业数据提供者处购买。g i s 将把空间数据和其他数据源的数据集 成在一起：而且可以使用那些被大多数公司用来组织和保存数据的数据库管理系 统，来管理空间数据。 g i s 技术如果没有人来管理系统和制定计划应用于实际问题，将没有什么价 值。g i s 的用户范围包括从设计和维护系统的技术专家，到那些使用该系统并完 成他们每天工作的人员。 成功的g i s 系统，具有好的设计计划和自已的事务规律，这些是规范而且对 每一个公司来说具体的操作实践又是独特的。 2 2 2 导航电子地图 导航电子地图是指导航系统中使用的电子地图，为方便后文对基于g i s 的车 辆导航系统中研究与应用实例的介绍，有必要在这里介绍一下导航电子地图的相 6 北京邮电大学硕士学位论文 关知识。 ( 1 ) 导航电子地图的开发原则 高起点高标准，采用世界领先的生产工艺，采用国际标准的k i w i 格式。 在项目实验、开发和数据制作的整个阶段都严格遵守测绘法和其他相 关法律法规。 在国家法律允许下，通过导航地图产品的不断更新，为驾车者提供尽量丰 富、实用、现实性强的导航信息。 ( 2 ) 导航地图数据内容与数据加工 三类主要信息 a 道路信息 它是导航地图中的核心信息，用以描述车辆赖以运行的道路、桥梁的几何位 置、空间形状、功能属性、社会属性、交通限制等，是实现导航功能所需的最基 础的数据。包括： 道路种类交叉点名称 道路属性交叉点邻接及连通信息 道路幅宽交叉点标志物 道路等级交叉点3 d 扩大图 道路名称高速路分道模式图 道路交通限制车道信息 道路收费信息红绿灯信息 道路共用信息高速路名称 道路相关编码高速路路线信息 行政代码高速路连结信息 高速路设施信息 b 背景信息 它是导航的参考数据，用以描述道路或目的地周边状况。 铁路街区 水系行政区划 绿地设施边界 一7 北京邮i _ 【大学硕1 ：挚位论文 c 文本信息 它是描述人们通常关心或想了解的地点、施设、场所的数据，用以实现各种 查询检索和目的地索引等。它包括： 文字注记描述周边设施数据 通常地点信息建筑物检索数据 地址点信息电话号码检索数据 邮政编码地址信息设施信息 邮政编码检索信息道路名称 地址检索数据分类列表 综合检索数据标识点数据 分类检索数据目的地概要 数据的获取 a 地理数据( 地图数据，如道路的位置，桥的形状等) 数字摄影测量+ 高精度动态g p s 测量一更新地图数据 b 非地理数据( 如地点，交通限制信息等) 通过合作，由权威机构提供 实地调查 2 3 卫星导航产业现状和发展趋势 2 3 1 产业现状 卫星导航定位系统应用装备主要是以美国的全球定位系统( g p s ) 和俄罗斯的 全球导航卫星系统( g l o n a s s ) 为代表的应用产品。在今后的五到十年内，欧洲 的g a l i l e o 系统和中国的导航卫星系统( c n s s ) 会加入这一行列，形成全球性导航 卫星系统的集合 ( g n s s ) 。 2 0 0 0 年5 月1 日，美国总统宣布将s a 置零，这毫无疑问会在很大程度上促 进g p s 民用的普遍化，肯定会推动一个新的应用爆发性增长热潮。g p s 业界有 句名言：“g p s 的应用只受到人们想象力的限制”。这就是说其应用面积宽广，前 景不可限量。 ： ， - 近些年来，在导航卫星系统应用领域出现三大转变是值得关注的，它们是： 8 北京邮电犬学硕士学位论文 从以军用为主转变为军民两用乃至民用为主，从个别部门个别场合应用转 变为国民经济众多部门，乃至人们日常生活、工作、学习和娱乐的大规模 应用； 由只是在少数发达国家，诸如美国、日本形成产业化发展势头转变为蓬勃 发展的国际性产业。像我国这样的发展中国家，也将卫星导航系统视为电 子信息产业的新经济增长点，打算逐步推行产业化发展计划； 鉴于多种多样的原因和理由，欧洲和中国都立志要搞自己的卫星导航系 统，从而使g p s 单星座转变多星座兼容机制，在国际上得到普遍的认同， 卫星导航系统向多极化制式发展已是不可逆转的总趋势。像 g p s g l o n a s s 以及g a u l e o 兼容机加上己备w a a s 、e g n o s 和m s a s 功能的多机制兼容则应运而生。 g p s 的应用已十分广泛，而且越来越广泛，差不多涉及到国民经济的各个领 域，尤其是近几年来其向消费市场的发展的强劲势头表明，以g p s 位代表的卫 星导航应用产品，由于它能很容易地提供位置、速度和时间信息，所以会很快成 为现代信息社会的重要信息来源，成为信息时代的国家基础设施之一，它的发展 具有如下特点： g p s 应用产品产业是当前国际上八大无线产业之一： g p s 也是目前世晁上发展的最快的三大信息产业之一； g p s 与g s m 和c d m a 的结合已成为全球通信导航界的热点； g p s 与p d a ( 个人数字助理) 和p a n ( 人域网) 消费类组合是个巨大的潜在市 场。 当前g p s 应用市场最大的是车辆导航、消费产品和跟踪监控，尤其以车辆导 航所占份额为最多。以2 0 0 0 年为例，车辆导航产品的产值为$ 2 9 亿美元，约占 g p s 产品总值的3 5 左右。 2 3 2 发展趋势 2 0 世纪9 0 年代是g p s 大显身手、垄断全球和形成新型国际产业的1 0 年。2 1 世纪头1 0 年在以g p s 为代表的卫星导航产业中仍将由美国占据主导地位。但欧 洲、日本、中国和俄罗斯会在这一巨大市场中扮演重要角色。未来1 0 年全球卫 星导航产业发展的总趋势预测如下： 9 北京邮 u 大学硕 垮! 位论文 美国g p s 垄断全球的局面有可能被打破，未来1 0 年可能成为g n s s 的 l o 年。各国卫星导航系统在民用领域的相互兼容将成为国际大趋势。 陆上车辆导航将成为驱动卫星导航产业迅猛发展的强劲动力。 卫星导航技术与通信( 特别重要) 、遥感和大众消费产品的相互融合将会创 造出许多新产品和新服务，开拓出一个商机无限的市场。 据欧洲智能交通系统组织公布的资料表明，在未来五年中，北美汽车导航产 品的市场占有量将从现有的9 万台增加到1 0 0 0 万台，欧洲的占有量将从现有的 9 0 万台增加到l1 0 0 万台。仅m o t o r o l a 一家公司在t e l e m e t r i c ( 通信定位综合信息 系统或称汽车信息系统，它是车辆自主导航系统和车辆跟踪系统的组合与发展) 单项产品上，2 0 0 0 年上半年定购值超过$ 2 亿元。据权威机构预测，全球至2 0 0 5 年的t e l e m e t r i c 的产值将达到$ 5 0 亿，装车数量从现在的1 0 0 万辆增长至超过1 7 0 0 万辆，届时8 4 的新车均要装上t e l e m e t r i c 。 2 3 3 新型卫星导航系统 ( 1 ) g p s g l o n a s s 双系统 g p s g l o n a s s 双系统是将美规g p s 与俄规g l o n a s s 结为一体，共有4 8 颗定位卫星，除定位精度可提高外，在定位的速度也可大大提升，同时可克服单 星系中卫星接收不足或信号品质不良的问题。g p s 硒l o n a s s 双星系统应用领 域与g p s 相同，除可导航定位外，可作为时间、土地资源、探测、车辆定位、 载具导航定位以及精确量，并更加可靠。 ( 2 ) 欧洲的g a l i l e o 系统 继美国的全球定位系统( g p s ) 和俄罗斯的全球卫星导航系统( g l o n a s s ) 之 后，欧洲启动伽利略计划，建立自主的，民用的，以卫星为基础的民用导航和定 位系统g a l i l e o 。该系统的卫星星座是由分布在3 个轨道上的3 0 颗中等高度轨 道卫星( m e o ) 构成。据悉这一系统将耗资3 2 5 亿欧元。 ( 3 ) 中国的双星定位系统 我国自主研制的双星定位系统北斗卫星导航系统用两颗地球同步卫星进 行双向测距外加数字高程地图定位，可双向数据报文通信，系统自含差分定位功 能以提高卫星业务( r o s s ) l s 频段，卫星至中心站链路使用标准c 频段，其服务 范围包括我国大陆和东南海域，属于区域性导航系统。 一1 0 北京邮电大学硕士学位论文 由于双卫星定位系统的技术难点都在地面中心站解决，所以这种功能多，终 l 端便宜且中心站有运行控制功能和主权地位，具有可进行统计收费的优势，车辆 使用成本更低，很适于车辆运行的特点，有十分巨大的开发应用前景。不过双星 定位系统属主动应答式定位系统，故隐蔽性差，这一点不如采用被动式定位方式 的g p s ，但它能应用户请求利用适当的伪噪声编码技术来弥补这方面的不足。 北京邮电大学硕士学位论文 第3 章车辆定位系统介绍 车辆定位系统是车辆导航系统的重要组成部分，它决定了定位精度和导航的 正确性。本章将介绍一个自行开发的车辆定位系统，从车辆定位系统的体系结构， 组合定位子系统和地图匹配子系统的组成和主要的功能模块，以及系统的开发过 程进行阐述。通过实际测试发现，所开发的车辆导航定位系统能够充分利用g p s ， 陀螺仪，里程仪提供的信息并将它们进行融合，结合地图匹配技术，及时修正各 种大的误差，消除超前滞后现象，提高车辆定位的准确度。 3 1 背景介绍 这里介绍的车辆定位系统是在东软软件股份有限公司针对日本市场开发的 车辆导航系统的基础上进行的二次开发。 日本在智能交通系统的研究和应用领域都处于世界领先地位，所采用的 g p s ，陀螺仪，里程仪和电子地图都具有相当高的精度。但是日本的道路非常复 杂，道路相对较窄，平行路间的间距较小，分叉路的夹角也很小，还有错综复杂 的都市路、立交桥、盘山路等。 原有车辆导航系统中的车辆定位算法存在一些不足之处，主要是对g p s 、陀 螺仪、里程仪数据的处理较简单，不仅造成地图匹配部分极端复杂，而且存在较 多的误匹配和超前滞后等现象，尤其是在平行路、都市路、微小角、停车场、盘 山路、立交桥、地下隧道等处出现的频率较高。针对这些问题，需要开发出新的 车辆定位算法，以便计算准确的车辆位置，选择并匹配到正确的道路，并对测量 元件进行补正，同时提高算法的执行效率。 f 要求二次开发的车辆定位系统能够采用滤波，补正等方法充分利用g p s 、陀 螺仪、里程仪提供的信息，并结合具有超前滞后检测和校正功能的地图匹配，提 高车辆定位的准确度，消除或减少误匹配和超前滞后现象。 车辆定位系统将在v pw o r k b e n c h 环境中进行仿真开发f ，并最终移植到导航 仪上的嵌入式操作系统中做成实际的车辆导航产品。 1 2 北京邮电大学硕士学位论文 3 2 体系结构 车辆定位系统采用了技术上十分成熟并在导航系统中普遍采用的卡尔曼滤 波方法，考虑测量元件( 陀螺、里程仪) 的物理特性建立相应的物理模型，通过滤 波、地图匹配及其他特殊处理方法对各种元件误差进行补正。同时充分考虑到工 程上的可实现性，在尽可能保证精度的前提下，采用较为简便实用的算法以便降 低系统负荷、提高系统的执行效率。 车辆定位系统包括组合定位子系统和地图匹配子系统两部分，其总体软件结 构如图3 一l 所示。 图3 - 1 车辆定位系统的总体结构 采用这样的分级校正算法结构，主要基于下述考虑： 由于地图数据在某些区域的不准确，以及元件精度的限制，出现误匹配是 不可避免的。采用这样的结构，可防止误匹配对组合定位精度和补正传感 器误差的不利影响； 对传感器数据的处理是要求实时进行的。但由于时间的限制，地图匹配算 法不能也不需要实时进行，如每秒都执行。因此，采用这样的结构可保证 较高的执行效率。 下面分别介绍车辆定位系统中的组合定位子系统和地图匹配子系统。 3 3 组合定位子系统 组合定位子系统采用技术上十分成熟并在导航系统中普遍采用的卡尔曼滤 波方法，同时考虑测量元件( 陀螺、里程仪) 的物理特性建立相应的物理模型；通 1 3 北京邮电大学硕士学位论文 过卡尔曼滤波和补偿滤波的方法实时校正系统的误差( 元件误差、定位误差等) ， 保证系统的稳定性并使之具有较高的定位精度，同时通过接口函数与地图匹配模 块进行数据交换。考虑到工程上的可实现性，在即可能保证精度的前提下，采用 较为简便实用算法以便降低系统负荷、提高系统的执行效率。在系统开发过程中 采用不同滤波算法( 补偿滤波、集中卡尔曼滤波、推广卡尔曼滤波、联邦卡尔曼 滤波) ，通过评估测试最终选择最佳的算法。组合定位子系统结构框图如图3 2 所示。 图3 - 2 组合定位子系统结构框图 组合定位子系统完成的主要功能有： ( 1 ) 初始化功能 对g p s 、陀螺和里程仪数据进行预处理：结合工程实践和元件的电气参 数，对滤波所需的状态估计协方差矩阵p 阵、输入噪声矩阵g 阵、量测噪 声矩阵r 阵进行初始化。 ( 2 ) 航迹推算功能 - 1 4 北京邮电人学硕士学位论文 利用陀螺和里程仪的数据推算出车辆的位置；由里程仪数据平滑子模块， 位置推算子模块，航向角推算子模块组成。 里程仪数据平滑子模块：对最近2 5 次的里程仪数据进行线性平滑( 取均 值) ，防止出现数据的突跳情况。 位置推算子模块：根据里程仪数据及前时刻的位置和航向角计算车辆运 行的位置增量。 航向角子模块：根据陀螺数据计算车辆运行的航向角增量。 ( 3 ) 卡尔曼滤波功能 卡尔曼滤波模块在g p s 数据满足滤波条件时，将航迹推算得到的位置和 航向信息与由g p s 获得的位置和航向信息采用卡尔曼滤波的方法进行融合， 将融合结果输出给地图匹配子系统。 卡尔曼滤波模块负责判断g p s 信息是否满足滤波条件，计算卡尔曼滤波 中涉及的矩阵值，进行卡尔曼滤波计算，利用滤波得到的位置误差进行位置 修正，存储滤波得到的参数误差( 给补正模块使用) ，向地图匹配子系统输出 滤波后的位置和航向信息，由g p s 得到的位置和航向信息，以及它们各自的 置信度信息。 组合滤波所选状态量为经度误差，纬度误差，陀螺刻度系数误差，陀螺 零点电压误差。 组合滤波所选观测量为g p s 测量的经纬度、航向角与航迹推算所得经纬 度、航向角的差值。 ( 4 ) 速度补偿滤波功能 利用g p s 输出的速度和里程仪测量的自车速度进行滤波计算，用来抑制 g p s 速度信号中的高频噪声，提高速度测量的稳定性。 i ( 5 ) 航向角补偿滤波功能4 | 利用g p s 输出的航向角和陀螺测量的自车角速度进行滤波计算，用来抑 制g p s 航向信号中的高频嗓声，提高航向角测量的稳定性。 ( 6 ) 补正功能 ： 包括对里程仪刻度系数、陀螺零偏、陀螺感度等元件误差和位置误差的 【 补正。 7 。 一1 5 北京邮电大学硕士学位论文 里程仪刻度系数补正：用补偿滤波后的速度v 来校正里程仪刻度系数。 陀螺零点电压补正：对由于具体陀螺的特性( 零点漂移、零点稳定性) 以及 工作条件( 温度、电源电压) 而造成的实际陀螺零点电压与标称值之间的误 差进行补正。主要采取零速度校正和长距离直路行驶校正两种方法。 陀螺左右感度补正：对陀螺仪左右感度误差进行补正。 ( 7 ) 与遗图匹配子系统接口功能。 接口模块存储“滤波后数据”，然后向地图匹配子系统发送“滤波后数据 存储完毕”消息，之后等待“地图匹配数据存储完毕”消息，当接收到消息 后读取并判断地图匹配信息。将相关信息通过接口提供给各补正子模块。 3 4 地图匹配子系统 地图匹配子系统利用组合定位予系统提供的位置信息和地图数据库提供的道 路信息，将车辆位置匹配到正确的道路上。 地图匹配子系统将定位过程分为三种状态：初始状态、定位状态和跟踪状态。 初识状态是当车辆刚刚启动，要上路时所处的状态，这时需要校正g p s 、陀螺和 里程仪的初始值或者零偏值等，并确定车辆所在的真实道路。定位状态是指地图 匹配中当前主要任务是确定汽车是在哪条道路上，定位状态主要出现在有叉路 口的地方；跟踪状态是指地图匹配中当前主要任务是在定位模式下确定的道路上 找到汽车的确定位置。定位过程中的状态转移图如图3 - 3 所示。 图3 - 3 定位过程中的状态转移图 1 6 北京邮电大学硕士学位论文 地图匹配子系统包括的功能模块及功能说明如下： ( 1 ) 初始化模块 对地图匹配子系统各个变量进行初始化。 ( 2 ) 输入模块 接收组合定位子系统传来的数据，保存成不同的结构供不同的模块使用。 ( 3 ) 控制模块 控制何时启动各功能模块。 ( 4 ) 初始选路模块 在车辆开始进入道路时，确定车辆行驶的正确道路。 ( 5 ) 过程选路模块 在车辆进入新的n o d e 点警戒区后，确定车辆行驶的正确道路。 ( 6 ) 匹配模块 将车辆定位数据实时匹配到正确道路上。 ( 7 ) 输出模块 向u i 和定位系统输出。 ( 8 ) 地图处理函数的扩充 将原有读取d b 的函数库作扩充以适应地图匹配子系统中其他模块读取 数据的需要。详细介绍参见第5 1 节。 ( 9 ) 超前滞后校正模块 检测和校正车辆定位过程中出现的超前滞后误差。详细介绍参见第4 章。 1 7 ! ! 堡些里奎兰堡主兰焦鲨兰 i u 工 t 输出模块 卜消息队列一匹配结果( 一 【 匹配模块 j 超前而后校正i 模块卜 f过程选路卜一叫扩充的地图h 初始选路 模块卜一 处理函数h模块 t上 。 l l v p ：k i w i 娴 l相关函数l ( 彘0 控制模块 输入模块 一( 定位墼据( t黼 初始化模块 组合定位1 、 子系统1 图3 - 4 地图匹配子系统各功能模块之间的关系 上述各项功能模块之间的关系如图3 - 4 所示。下面简单介绍地图匹配子系统 中的几个重要模块：控制模块，选路模块和匹配模块的设计和实现思想。 3 3 1 控制模块 控制模块的控制规则：当前处于初始状态则一直启动初始选路模块；当前处 于定位状态则一直启动过程选路模块；当前处于跟踪状态且到了道路转弯处启动 超前滞后校正模块，反之直接启动匹配模块。初始