摘要：本文針對(duì)單一導(dǎo)航定位技術(shù)的精度和使用范圍在車輛導(dǎo)航定位應(yīng)用中的局限性，提出了采用GPS/DR與電子地圖組合導(dǎo)航的方案。GPS/DR與電子地圖組合導(dǎo)航是一種較為理想的車輛導(dǎo)航方式。它既克服了GPS信號(hào)受阻時(shí)定位間斷或失效的缺點(diǎn)，又避免了航位推算定位誤差隨時(shí)間的積累，提高了導(dǎo)航定位的精度并擴(kuò)展了使用范圍。
　　關(guān)鍵詞：地圖匹配，車輛導(dǎo)航，GPS定位
　　一、引言
　　 目前，車輛導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的走入了大眾的生活當(dāng)中，大家也越來(lái)越多的認(rèn)識(shí)到了導(dǎo)航系統(tǒng)。目前，世界范圍內(nèi)主要有以下幾種定位技術(shù)應(yīng)用于車輛導(dǎo)航：
　　 1、全球定位系統(tǒng)(GPS)；
　　2、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS：InertialNavigationSystem)；
　　3、航位推算系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱DR：DeadReckoning)；
　　4、地圖匹配(MM：MapMatching)；
　　5、地面無(wú)線電頻率定位(TRF：TerrestrialRadioFrequency)。
　　任何一種單一的導(dǎo)航系統(tǒng)其精度和使用范圍都有一定的限制，目前，用于車載的導(dǎo)航系統(tǒng)主要有以下兩種方案：
　　1、GPS與地圖匹配；
　　 2、GPS/DR與地圖匹配。
　　第一種方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于GPS信號(hào)容易受到遮擋，在隧道或者一些城市高樓較多的地方系統(tǒng)可靠性低，一般用于一些低成本的系統(tǒng)。第二種方案在各種情況下都能保持良好的性能，是一種最佳的方案。
　　本文的方案：以DR為主，GPS和地圖匹配來(lái)校正DR的位置，這樣能提供多頻率的輸出，使得車標(biāo)顯示等更加平滑。圖1是導(dǎo)航系統(tǒng)匹配部分整體流程圖。
　　
　　
　　圖1GPS/DR組合地圖匹配的基本流程圖
　　
　　1. GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)
　　1.1. GPS和DR的信號(hào)處理
　　1.1.1. GPS信號(hào)特點(diǎn)
　　（1）GPS信號(hào)為絕對(duì)位置；
　　（2）GPS信號(hào)容易受到遮擋和干擾。
　　DR信號(hào)特點(diǎn)
　　（1）DR信號(hào)為相對(duì)位置，所以需要初始對(duì)準(zhǔn)；
　　（2）DR信號(hào)有累計(jì)誤差；
　　（3）DR信號(hào)幾乎不受干擾。
　　 通過(guò)以上對(duì)比我們發(fā)現(xiàn)，GPS和DR的組合能將GPS和DR的優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，在任何情況下都能提供準(zhǔn)確的位置信息。
　　1.1.2. DR部分工作流程
　　 航位推算是一個(gè)累積的過(guò)程，因此，所有的傳感器誤差均會(huì)造成位置誤差的積累，產(chǎn)生定位誤差積累的原因主要有：
　　 （1）里程表誤差；
　　 （2）角速率陀螺漂移誤差；
　　 （3）航向誤差。
　　 減小這些誤差的方法有：
　　 （1）采用卡爾曼濾波技術(shù)對(duì)角速率陀螺信號(hào)進(jìn)行濾波處理，減小干擾和漂移誤差；
　　 （2）利用GPS精確定位信息對(duì)導(dǎo)航傳感器的誤差進(jìn)行校正。
　　 圖2是DR的工作流程圖：
　　
　　圖2DR方式的流程圖
　　1.1.3. GPS部分工作流程
　　 GPS主要用來(lái)對(duì)DR進(jìn)行校正，校正速度因子來(lái)減小里程誤差，校正方向來(lái)減小航向誤差。下圖是GPS工作的具體流程：
　　
　　圖3GPS方式的流程圖
　　1.2. 地圖匹配
　　1.2.1. 道路拓?fù)渚W(wǎng)的組織
　　 車輛在行駛過(guò)程中一般都是在路上行駛，而且是從一條道路開(kāi)往相鄰的道路，所以在此基礎(chǔ)上，我們通過(guò)道路拓?fù)潢P(guān)系組建一個(gè)樹(shù)形結(jié)構(gòu)，樹(shù)形結(jié)構(gòu)頂端就是車輛剛剛開(kāi)始所在的道路，樹(shù)的枝葉就是其接續(xù)的道路。有了這個(gè)結(jié)構(gòu)，我們就可以減少搜索的范圍，因?yàn)檫@里面包含了所有車輛可能行走的道路。
　　 設(shè)計(jì)這個(gè)結(jié)構(gòu)有三個(gè)目的：一是為了提高系統(tǒng)性能，使搜索的道路盡量少；二是為了提高可靠性；三是可以保留所有道路的匹配信息，當(dāng)發(fā)生匹配錯(cuò)誤時(shí)，可以在一定程度上回溯。關(guān)于這個(gè)結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中有以下幾個(gè)要點(diǎn)：
　　（1）什么時(shí)候加入接續(xù)的道路？當(dāng)匹配到該道路的末尾時(shí)加入；
　　（2）什么時(shí)候剔除道路？一條道路可能有多個(gè)接續(xù)道路，但車輛只可能走其中一條，當(dāng)確定車輛匹配在其中某一條時(shí)，要將其他道路剔除掉；
　　（3）沒(méi)道路數(shù)據(jù)時(shí)怎么辦？由于數(shù)據(jù)更新的原因，電子地圖中可能沒(méi)有車輛走行的道路數(shù)據(jù)。當(dāng)車輛與結(jié)構(gòu)中的所有道路都不匹配時(shí)就認(rèn)為車輛走到了沒(méi)有數(shù)據(jù)的道路上。這時(shí)重新初始化樹(shù)形結(jié)構(gòu)，并顯示車輛位置為信號(hào)當(dāng)前位置。
　　1.2.2. 匹配的幾種狀態(tài)
　　 在匹配算法中設(shè)計(jì)了按不同狀態(tài)來(lái)處理的方式，這樣做是為了提高算法的可擴(kuò)展性，可以在以后增加某些特殊情況的處理，而不需要對(duì)其他狀態(tài)進(jìn)行較大改動(dòng)。
　　（1）初始化狀態(tài)：剛開(kāi)機(jī)或者車輛行駛到無(wú)道路數(shù)據(jù)的時(shí)候都會(huì)進(jìn)入這個(gè)狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)下系統(tǒng)會(huì)初始化道路拓?fù)渚W(wǎng)，形成樹(shù)形結(jié)構(gòu)。
　　（2）停車狀態(tài)：當(dāng)單獨(dú)使用GPS信號(hào)時(shí)，由于在速度較慢時(shí)GPS方向信息很不準(zhǔn)確，而且GPS信號(hào)也有跳變，所以此時(shí)就顯示上一次的匹配位置。
　　（3）正常狀態(tài)：就是車輛已經(jīng)匹配在道路上的狀態(tài)。
　　（4）轉(zhuǎn)彎狀態(tài)：車輛在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中由于行走軌跡的突變，往往發(fā)生道路匹配錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致車標(biāo)跳變，所以此處需要進(jìn)行特殊的處理，減少跳變的發(fā)生。
　　1.2.3. 匹配流程
　　匹配流程見(jiàn)圖1：
　　（1）從GPS模塊取得坐標(biāo)，判斷坐標(biāo)是否有效，有效則傳給DR模塊；
　　（2）DR模塊判斷是否有有效的GPS信息，如果有則采用GPS信息，否則采用自身的推算結(jié)果；
　　（3）將上述結(jié)果傳給Dispatch模塊取得當(dāng)前范圍內(nèi)的道路數(shù)據(jù)，如果失敗或者當(dāng)前范圍內(nèi)沒(méi)有道路數(shù)據(jù)，則設(shè)當(dāng)前狀態(tài)為初始化狀態(tài)；
　　（4）根據(jù)不同狀態(tài)計(jì)算相似度和匹配位置，同時(shí)進(jìn)行添加接續(xù)道路和剔除道路的處理， 取得最佳匹配相似度記為S1；
　　 （5）計(jì)算規(guī)劃路徑中的最佳匹配位置和相似度，記為S2；
　　 （6）如果S1與S2的差值大于閾值，則觸發(fā)道路重計(jì)算；
　　 （7）利用最佳匹配位置來(lái)校正DR位置；
　　（8）返回GPS信息采集。
　　2. 效率分析及實(shí)驗(yàn)
　　試驗(yàn)表明，一次匹配過(guò)程耗時(shí)在200ms內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)每秒輸出3次定位數(shù)據(jù)時(shí)，匹配結(jié)果良好，且車標(biāo)顯示比每秒輸出只有一次定位數(shù)據(jù)時(shí)要平滑得多。通過(guò)實(shí)際的駕駛測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)除了在某些平行路段以及實(shí)際路線與地圖數(shù)據(jù)相差較大的地段，匹配情況良好。
　　3. 結(jié)論
　　本文提出了GPS/DR與電子地圖組合定位在車輛導(dǎo)航中應(yīng)用的方案，能夠提供多頻率的位置輸出。經(jīng)過(guò)實(shí)際路上測(cè)試，匹配結(jié)果比較理想，對(duì)后續(xù)研究有一定的參考意義。
　　參考文獻(xiàn)
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