摘要：本文針對單一導航定位技術(shù)的精度和使用范圍在車輛導航定位應用中的局限性，提出了采用GPS/DR與電子地圖組合導航的方案。GPS/DR與電子地圖組合導航是一種較為理想的車輛導航方式。它既克服了GPS信號受阻時定位間斷或失效的缺點，又避免了航位推算定位誤差隨時間的積累，提高了導航定位的精度并擴展了使用范圍。
　　關(guān)鍵詞：地圖匹配，車輛導航，GPS定位
　　一、引言
　　 目前，車輛導航系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的走入了大眾的生活當中，大家也越來越多的認識到了導航系統(tǒng)。目前，世界范圍內(nèi)主要有以下幾種定位技術(shù)應用于車輛導航：
　　 1、全球定位系統(tǒng)(GPS)；
　　2、慣性導航系統(tǒng)(INS：InertialNavigationSystem)；
　　3、航位推算系統(tǒng)(簡稱DR：DeadReckoning)；
　　4、地圖匹配(MM：MapMatching)；
　　5、地面無線電頻率定位(TRF：TerrestrialRadioFrequency)。
　　任何一種單一的導航系統(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)簡單，但由于GPS信號容易受到遮擋，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和地圖匹配來校正DR的位置，這樣能提供多頻率的輸出，使得車標顯示等更加平滑。圖1是導航系統(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組合導航系統(tǒng)
　　1.1. GPS和DR的信號處理
　　1.1.1. GPS信號特點
　　（1）GPS信號為絕對位置；
　　（2）GPS信號容易受到遮擋和干擾。
　　DR信號特點
　　（1）DR信號為相對位置，所以需要初始對準；
　　（2）DR信號有累計誤差；
　　（3）DR信號幾乎不受干擾。
　　 通過以上對比我們發(fā)現(xiàn)，GPS和DR的組合能將GPS和DR的優(yōu)缺點互補，在任何情況下都能提供準確的位置信息。
　　1.1.2. DR部分工作流程
　　 航位推算是一個累積的過程，因此，所有的傳感器誤差均會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)對角速率陀螺信號進行濾波處理，減小干擾和漂移誤差；
　　 （2）利用GPS精確定位信息對導航傳感器的誤差進行校正。
　　 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主要用來對DR進行校正，校正速度因子來減小里程誤差，校正方向來減小航向誤差。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. 道路拓撲網(wǎng)的組織
　　 車輛在行駛過程中一般都是在路上行駛，而且是從一條道路開往相鄰的道路，所以在此基礎(chǔ)上，我們通過道路拓撲關(guān)系組建一個樹形結(jié)構(gòu)，樹形結(jié)構(gòu)頂端就是車輛剛剛開始所在的道路，樹的枝葉就是其接續(xù)的道路。有了這個結(jié)構(gòu)，我們就可以減少搜索的范圍，因為這里面包含了所有車輛可能行走的道路。
　　 設(shè)計這個結(jié)構(gòu)有三個目的：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，當發(fā)生匹配錯誤時，可以在一定程度上回溯。關(guān)于這個結(jié)構(gòu)在實際應用中有以下幾個要點：
　　（1）什么時候加入接續(xù)的道路？當匹配到該道路的末尾時加入；
　　（2）什么時候剔除道路？一條道路可能有多個接續(xù)道路，但車輛只可能走其中一條，當確定車輛匹配在其中某一條時，要將其他道路剔除掉；
　　（3）沒道路數(shù)據(jù)時怎么辦？由于數(shù)據(jù)更新的原因，電子地圖中可能沒有車輛走行的道路數(shù)據(jù)。當車輛與結(jié)構(gòu)中的所有道路都不匹配時就認為車輛走到了沒有數(shù)據(jù)的道路上。這時重新初始化樹形結(jié)構(gòu)，并顯示車輛位置為信號當前位置。
　　1.2.2. 匹配的幾種狀態(tài)
　　 在匹配算法中設(shè)計了按不同狀態(tài)來處理的方式，這樣做是為了提高算法的可擴展性，可以在以后增加某些特殊情況的處理，而不需要對其他狀態(tài)進行較大改動。
　　（1）初始化狀態(tài)：剛開機或者車輛行駛到無道路數(shù)據(jù)的時候都會進入這個狀態(tài)，在這個狀態(tài)下系統(tǒng)會初始化道路拓撲網(wǎng)，形成樹形結(jié)構(gòu)。
　　（2）停車狀態(tài)：當單獨使用GPS信號時，由于在速度較慢時GPS方向信息很不準確，而且GPS信號也有跳變，所以此時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)彎過程中由于行走軌跡的突變，往往發(fā)生道路匹配錯誤，從而導致車標跳變，所以此處需要進行特殊的處理，減少跳變的發(fā)生。
　　1.2.3. 匹配流程
　　匹配流程見圖1：
　　（1）從GPS模塊取得坐標，判斷坐標是否有效，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模塊取得當前范圍內(nèi)的道路數(shù)據(jù)，如果失敗或者當前范圍內(nèi)沒有道路數(shù)據(jù)，則設(shè)當前狀態(tài)為初始化狀態(tài)；
　　（4）根據(jù)不同狀態(tài)計算相似度和匹配位置，同時進行添加接續(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)道路重計算；
　　 （7）利用最佳匹配位置來校正DR位置；
　　（8）返回GPS信息采集。
　　2. 效率分析及實驗
　　試驗表明，一次匹配過程耗時在200ms內(nèi)，當系統(tǒng)每秒輸出3次定位數(shù)據(jù)時，匹配結(jié)果良好，且車標顯示比每秒輸出只有一次定位數(shù)據(jù)時要平滑得多。通過實際的駕駛測試，我們發(fā)現(xiàn)除了在某些平行路段以及實際路線與地圖數(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航中應用的方案，能夠提供多頻率的位置輸出。經(jīng)過實際路上測試，匹配結(jié)果比較理想，對后續(xù)研究有一定的參考意義。
　　參考文獻
　　1 嚴蔚敏.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).北京：清華大學出版社，2001
　　2 趙亦林著.譚國真譯.車輛定位與導航系統(tǒng)北京：.電子工業(yè)出版社，1999