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tx087 车载 GPS 导航系统 地图 匹配 算法 研究

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读 书 报 告-GPS在现代交通中的应用全球定位系统（GlobalPositioningSystem-GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。它由空间卫星系统、地面监控系统、用户接收系统三大子系统构成，已广泛应用于军事和民用等众多领域。经过近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。在发达国家，GPS技术已经开始应用于交通运输和道路工程之中。目前，我国在这方面的应用也已开始起步。GPS实施计划共分三个阶段：第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。GPS的问世标志着电子导航技术发展到了一个更加辉煌的时代。GPS系统与其它导航系统相比，主要特点有如下六个方面。1、 定位精度高GPS可为各类用户连续地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息。2、 观测时间短随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20km以内相对静态定位，仅需1520min；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站观测时间只需12min，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟，立即寻址速度快。目前GPS接收机的一次定位和测速工作在1s甚至更小的时间内便可完成，这对高动态用户来讲尤其重要。3、 执行操作简便随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。使野外工作变得轻松愉快。4、 全球、全天候作业由于GPS卫星数目较多且分布合理，所以在地球上任何地点均可连续同步地观测到至少4颗卫星，从而保障了全球。全天候连续实时导航与定位的需要。目前GPS观测可在一天24h内的任何时间进行，不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。5、 功能多、应用广GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1m/s，测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。三维导航是GPS的首要功能，飞机、船舶、地面车辆以及步行者都可利用GPS导航接收器进行导航。汽车导航系统是在全球定位系统GPS基础上发展起来的一门新型技术。汽车导航系统由GPS导航、自律导航、微处理器、车速传感器、陀螺传感器、CDROM驱动器、LCD显示器组成。GPS导航是由GPS接收机接收GPS卫星信号（三颗以上），求出该点的经纬度坐标、速度、时间等信息。为提高汽车导航定位精度，通常采用差分GPS技术。当汽车行驶到地下隧道、高层楼群、高速公路等遮掩物而与捕获不到GPS卫星信号时，系统可自动导入自律导航系统，此时由车速传感器检测出汽车的行进速度，通过微处理单元的数据处理，从速度和时间中直接算出前进的距离，陀螺传感器直接检测出前进的方向，陀螺仪还能自动存储各种资料，即使在更换轮胎暂时停车时，系统也可以重新设定。由GPS卫星导航和自律导航所测到的汽车位置坐标资料、前进的方向都与实际行驶的路线轨迹存在一定误差，为修正这两者的误差，与地图上的路线统一，需采用地图匹配技术，加一个地图匹配电路，对汽车行驶的路线与电子地图上道路误差进行实时相关匹配作自动修正，此时地图匹配电路是通过微处理单元的整理程序进行快速处理，得到汽车在电子地图上的正确位置，以指示出正确行驶路线。CD-ROM用于存储道路资料等信息，LCD显示器用于显示导航的相关信息。GPS导航系统与电子地图、无线电通信网络及计算机车辆管理信息系统相结合，可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能，这些功能包括：1.车辆跟踪 利用GPS和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置，并任意放大、缩小、还原、换图；可以随目标移动，使目标始终保持在屏幕上；还可实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪，利用该功能可对重要车辆和货物进行跟踪运输。 2.提供出行路线的规划和导航 规划出行路线是汽车导航系统的一项重要辅助功能，包括： 自动线路规划：由驾驶员确定起点和终点，由计算机软件按照要求自动设计最佳行驶路线，包括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的路线等。 人工线路设计：由驾驶员根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等，自动建立线路库。线路规划完毕后，显示器能够在电子地图上显示设计线路，并同时显示汽车运行路径和运行方法。 3.信息查询 为用户提供主要物标，如旅游景点、宾馆、医院等数据库，用户能够在电子地图上根据需要进行查询。查询资料可以文字、语言及图像的形式显示，并在电子地图上显示其位置。同时，监测中心可以利用监测控制台对区域内任意目标的所在位置进行查询，车辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图上显示出来。 4.话务指挥 指挥中心可以监测区域内车辆的运行状况，对被监控车辆进行合理调度。指挥中心也可随时与被跟踪目标通话，实行管理。 5.紧急援助 通过GPS定位和监控管理系统可以对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急援助。监控台的电子地图可显示求助信息和报警目标，规划出最优援助方案，并以报警声、光提醒值班人员进行应急处理。 汽车是现代文明社会中与每个人关系最密切的一种交通工具，据统计，仅几个发达国家的汽车保有量已有数千万辆。因此车辆导航将成为未来20年中全球卫星定位系统应用的最大的潜在市场之一。预计到2000年，全世界用于车辆导航的总投资额的1/3。在我国，特种车辆约有几十万辆。有关部门要求首先对运钞车、急救车、救火车、巡警车、迎宾车等特种专用车辆实现全程监控、引导和指挥。目前使用车载GPS接收机进行自主定位的车辆很少，大量的开发应用热点在监控调度系统上。车载GPS导航设备在应用上的发展方向，应当着重多卫星系统、远距离监控以及多功能显示等几个方面。使用多卫星系统，如GNSS系统（该系统在2000年后将成为综合导航定位系统），进行导航定位时由于卫星多，可以保证车辆实时定位的精度与可靠性。对于用于调度指挥的监控系统来说，监控中心与其管辖的车辆之间由于通信电台的功率有限，其作用距离仅几十公里。增大监控作用距离，应当解决远距离通信问题。例如增加通信中继站，延长作用距离，利用广播或卫星通信方式使监控范围覆盖更大的地域。监控系统的功能应当是多方面的。例如语音传输、视觉图象传输以及各种命令和车辆周围环境的情况录入存储等。可以说，GPS导航定位在公交、交通系统中的应用前景是非常广阔的。在开发车辆导航应用的同时，也将带动与其相关的通信技术、信息技术、控制技术、多媒体技术和计算机应用技术的发展。GPS除了用于导航、定位、测量外，由于GPS系统的空间卫星上载有的精确时