GPS/DR与电子地图组合导航应用

　　摘要：本文针对单一导航定位技术的精度和使用范围在车辆导航定位应用中的局限性，提出了采用GPS/DR与电子地图组合导航的方案。GPS/DR与电子地图组合导航是一种较为理想的车辆导航方式。它既克服了GPS信号受阻时定位间断或失效的缺点，又避免了航位推算定位误差随时间的积累，提高了导航定位的精度并扩展了使用范围。
　　关键词：地图匹配，车辆导航，GPS定位
　　一、引言
　　 目前，车辆导航系统已经广泛的走入了大众的生活当中，大家也越来越多的认识到了导航系统。目前，世界范围内主要有以下几种定位技术应用于车辆导航：
　　 1、全球定位系统(GPS)；
　　2、惯性导航系统(INS：InertialNavigationSystem)；
　　3、航位推算系统(简称DR：DeadReckoning)；
　　4、地图匹配(MM：MapMatching)；
　　5、地面无线电频率定位(TRF：TerrestrialRadioFrequency)。
　　任何一种单一的导航系统其精度和使用范围都有一定的限制，目前，用于车载的导航系统主要有以下两种方案：
　　1、GPS与地图匹配；
　　 2、GPS/DR与地图匹配。
　　第一种方案系统结构简单，但由于GPS信号容易受到遮挡，在隧道或者一些城市高楼较多的地方系统可靠性低，一般用于一些低成本的系统。第二种方案在各种情况下都能保持良好的性能，是一种最佳的方案。
　　本文的方案：以DR为主，GPS和地图匹配来校正DR的位置，这样能提供多频率的输出，使得车标显示等更加平滑。图1是导航系统匹配部分整体流程图。
　　
　　
　　图1GPS/DR组合地图匹配的基本流程图
　　
　　1. GPS/DR组合导航系统
　　1.1. GPS和DR的信号处理
　　1.1.1. GPS信号特点
　　（1）GPS信号为绝对位置；
　　（2）GPS信号容易受到遮挡和干扰。
　　DR信号特点
　　（1）DR信号为相对位置，所以需要初始对准；
　　（2）DR信号有累计误差；
　　（3）DR信号几乎不受干扰。
　　 通过以上对比我们发现，GPS和DR的组合能将GPS和DR的优缺点互补，在任何情况下都能提供准确的位置信息。
　　1.1.2. DR部分工作流程
　　 航位推算是一个累积的过程，因此，所有的传感器误差均会造成位置误差的积累，产生定位误差积累的原因主要有：
　　 （1）里程表误差；
　　 （2）角速率陀螺漂移误差；
　　 （3）航向误差。
　　 减小这些误差的方法有：
　　 （1）采用卡尔曼滤波技术对角速率陀螺信号进行滤波处理，减小干扰和漂移误差；
　　 （2）利用GPS精确定位信息对导航传感器的误差进行校正。
　　 图2是DR的工作流程图：
　　
　　图2DR方式的流程图
　　1.1.3. GPS部分工作流程
　　 GPS主要用来对DR进行校正，校正速度因子来减小里程误差，校正方向来减小航向误差。下图是GPS工作的具体流程：
　　
　　图3GPS方式的流程图
　　1.2. 地图匹配
　　1.2.1. 道路拓扑网的组织
　　 车辆在行驶过程中一般都是在路上行驶，而且是从一条道路开往相邻的道路，所以在此基础上，我们通过道路拓扑关系组建一个树形结构，树形结构顶端就是车辆刚刚开始所在的道路，树的枝叶就是其接续的道路。有了这个结构，我们就可以减少搜索的范围，因为这里面包含了所有车辆可能行走的道路。
　　 设计这个结构有三个目的：一是为了提高系统性能，使搜索的道路尽量少；二是为了提高可靠性；三是可以保留所有道路的匹配信息，当发生匹配错误时，可以在一定程度上回溯。关于这个结构在实际应用中有以下几个要点：
　　（1）什么时候加入接续的道路？当匹配到该道路的末尾时加入；
　　（2）什么时候剔除道路？一条道路可能有多个接续道路，但车辆只可能走其中一条，当确定车辆匹配在其中某一条时，要将其他道路剔除掉；
　　（3）没道路数据时怎么办？由于数据更新的原因，电子地图中可能没有车辆走行的道路数据。当车辆与结构中的所有道路都不匹配时就认为车辆走到了没有数据的道路上。这时重新初始化树形结构，并显示车辆位置为信号当前位置。
　　1.2.2. 匹配的几种状态
　　 在匹配算法中设计了按不同状态来处理的方式，这样做是为了提高算法的可扩展性，可以在以后增加某些特殊情况的处理，而不需要对其他状态进行较大改动。
　　（1）初始化状态：刚开机或者车辆行驶到无道路数据的时候都会进入这个状态，在这个状态下系统会初始化道路拓扑网，形成树形结构。
　　（2）停车状态：当单独使用GPS信号时，由于在速度较慢时GPS方向信息很不准确，而且GPS信号也有跳变，所以此时就显示上一次的匹配位置。
　　（3）正常状态：就是车辆已经匹配在道路上的状态。
　　（4）转弯状态：车辆在转弯过程中由于行走轨迹的突变，往往发生道路匹配错误，从而导致车标跳变，所以此处需要进行特殊的处理，减少跳变的发生。
　　1.2.3. 匹配流程
　　匹配流程见图1：
　　（1）从GPS模块取得坐标，判断坐标是否有效，有效则传给DR模块；
　　（2）DR模块判断是否有有效的GPS信息，如果有则采用GPS信息，否则采用自身的推算结果；
　　（3）将上述结果传给Dispatch模块取得当前范围内的道路数据，如果失败或者当前范围内没有道路数据，则设当前状态为初始化状态；
　　（4）根据不同状态计算相似度和匹配位置，同时进行添加接续道路和剔除道路的处理， 取得最佳匹配相似度记为S1；
　　 （5）计算规划路径中的最佳匹配位置和相似度，记为S2；
　　 （6）如果S1与S2的差值大于阈值，则触发道路重计算；
　　 （7）利用最佳匹配位置来校正DR位置；
　　（8）返回GPS信息采集。
　　2. 效率分析及实验
　　试验表明，一次匹配过程耗时在200ms内，当系统每秒输出3次定位数据时，匹配结果良好，且车标显示比每秒输出只有一次定位数据时要平滑得多。通过实际的驾驶测试，我们发现除了在某些平行路段以及实际路线与地图数据相差较大的地段，匹配情况良好。
　　3. 结论
　　本文提出了GPS/DR与电子地图组合定位在车辆导航中应用的方案，能够提供多频率的位置输出。经过实际路上测试，匹配结果比较理想，对后续研究有一定的参考意义。
　　参考文献
　　1 严蔚敏.数据结构.北京：清华大学出版社，2001
　　2 赵亦林著.谭国真译.车辆定位与导航系统北京：.电子工业出版社，1999