車載GPS導(dǎo)航中綜合定位的算法研究

李利功

(太原理工大學(xué)，山西 太原030024)

應(yīng)用單一的GPS導(dǎo)航定位手段，難以適應(yīng)實(shí)際行車過(guò)程中復(fù)雜多變的交通情況，尤其在信號(hào)盲區(qū)，僅靠采用單純的計(jì)算機(jī)軟件算法，很難給車輛進(jìn)行精確導(dǎo)航。為了解決這些問(wèn)題，提出了綜合定位的方法。

1 單一的GPS導(dǎo)航定位分析

1.1 單純的計(jì)算機(jī)軟件算法

在城市交通中，車載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)作為行車的輔助工具，已經(jīng)成為不可或缺的一部分。然而城市道路的通行狀況瞬息萬(wàn)變，對(duì)于最短路徑、最佳路徑等問(wèn)題的解決雖然已經(jīng)有很多的方法，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然不夠完備。而且目前的車載導(dǎo)航系統(tǒng)高度依賴于電子地圖的數(shù)據(jù)量和詳細(xì)程度，很難適應(yīng)復(fù)雜多變的路況。例如雖然定位系統(tǒng)提示最佳線路，但道路上所處的學(xué)校正逢上學(xué)或放學(xué)，車輛擁堵很嚴(yán)重。這些實(shí)際存在的道路交通現(xiàn)象，給計(jì)算機(jī)軟件的算法增加了很大的難度。

1.2 衛(wèi)星信號(hào)盲區(qū)

由于GPS接收機(jī)必須保證至少有四顆衛(wèi)星位于視距范圍內(nèi)，才能準(zhǔn)確知道車輛的位置、速度、高度、運(yùn)動(dòng)方向等要素。因此在導(dǎo)航定位中，除了單純軟件算法的弊端外，當(dāng)車輛在高架、隧道、立交橋、地下車庫(kù)等地方時(shí)，天空的可見視野會(huì)被阻擋或是會(huì)被城市大建筑反射信號(hào)，就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的多徑效應(yīng)，在這些地區(qū)導(dǎo)航信號(hào)跳躍嚴(yán)重，車輛定位的位置嚴(yán)重偏差。所以在衛(wèi)星信號(hào)盲區(qū)，僅依靠單一的GPS系統(tǒng)導(dǎo)航，車輛無(wú)法得到準(zhǔn)確位置，GPS無(wú)法給出連續(xù)定位信息。這些問(wèn)題的存在給車輛導(dǎo)航軟件的設(shè)計(jì)帶來(lái)許多難以克服的難題。

2 交通狀況分析

2.1 隨機(jī)性

現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)中，交通狀況瞬息變化，突然的交通肇事就有可能阻塞交通幾個(gè)小時(shí)。另外，修路、災(zāi)害等意外因素也時(shí)刻影響著道路的通行狀況。這類干擾一旦發(fā)生，對(duì)道路通行能力影響較大，有時(shí)甚至導(dǎo)致全路段阻塞并波及到相鄰道路。這些事件均帶有強(qiáng)烈的隨機(jī)性。

2.2 長(zhǎng)期性

車道寬度、車道數(shù)、上下班高峰時(shí)段、學(xué)校上學(xué)放學(xué)時(shí)段等，這些因素雖然對(duì)道路通行存在影響，但基本可以確定其通行的規(guī)律，是長(zhǎng)期的特性。

2.3 衛(wèi)星信號(hào)盲區(qū)

車輛在衛(wèi)星信號(hào)的盲區(qū)，無(wú)法通過(guò)GPS獲得定位信息。

3 綜合定位技術(shù)

利用車載GPS現(xiàn)有的功能，以時(shí)間為觸發(fā)點(diǎn)，突發(fā)事件優(yōu)先等機(jī)制，將GPS定位技術(shù)與傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航技術(shù)、電子地圖技術(shù)相結(jié)合，建立道路信息交互模型，利用移動(dòng)對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，對(duì)車輛的運(yùn)動(dòng)空間及時(shí)間進(jìn)行分割，建立移動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建移動(dòng)對(duì)象實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。這些處理導(dǎo)航的方法和技術(shù)稱之為綜合定位算法。

3.1 慣性導(dǎo)航修正技術(shù)

傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航技術(shù)的理論已很成熟了，其優(yōu)點(diǎn)是在短時(shí)間內(nèi)有相當(dāng)高的精度，而且能夠在復(fù)雜的惡劣條件下，連續(xù)給出定位信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了車輛的自主定位。但是，單獨(dú)使用傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航技術(shù)，無(wú)法消除長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量帶來(lái)的誤差累計(jì)，當(dāng)積累到一定程度后，數(shù)據(jù)將無(wú)法使用，這是傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航技術(shù)固有的缺點(diǎn)。

在一般情況下，GPS信號(hào)的盲區(qū)不會(huì)很大，即使在繁華大都市，連續(xù)衛(wèi)星信號(hào)盲區(qū)直線不會(huì)超過(guò)5 km，如果使用綜合定位技術(shù)，在衛(wèi)星良好時(shí)，可以由GPS定位數(shù)據(jù)修正慣性導(dǎo)航帶來(lái)的誤差。由于GPS定位的誤差通常在10 m左右，為了保證車輛定位的準(zhǔn)確度，通常導(dǎo)航軟件會(huì)結(jié)合電子地圖數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行處理，利用電子地圖匹配技術(shù)，能夠修正慣性導(dǎo)航的誤差，這樣即使車輛處在衛(wèi)星信號(hào)盲區(qū)，也能夠消除慣性導(dǎo)航帶來(lái)的誤差［1］。

3.2 建立道路信息交互導(dǎo)航模型

在現(xiàn)有的車輛導(dǎo)航模型中，車輛的導(dǎo)航依賴于已有的電子地圖數(shù)據(jù)，但電子地圖具有更新不及時(shí)，成本高，受控等特點(diǎn)，已經(jīng)成為制約其發(fā)展的瓶頸。同時(shí)大多數(shù)車載GPS導(dǎo)航模型中，信息主要的流向是單向的，只有汽車的位置坐標(biāo)傳向信息中心，由信息中心來(lái)完成對(duì)汽車的監(jiān)控工作。而在信息交互導(dǎo)航模型中，車載GPS與信息中心是相互合作、相互依存的關(guān)系，信息的流向是雙向的［2］。

汽車把自己的位置坐標(biāo)發(fā)送到信息中心，信息中心對(duì)車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控，信息累積存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，作為對(duì)道路狀況分析的依據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析之后再傳送給汽車作為導(dǎo)航數(shù)據(jù)，完成信息雙流向的工作，把信息中心傳送的數(shù)據(jù)作為導(dǎo)航的主要依據(jù)，使汽車的導(dǎo)航不完全依賴于電子地圖。模型圖示如圖1所示。

圖1 信息模型圖

3.3 建立統(tǒng)計(jì)區(qū)域

建立道路導(dǎo)航統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，就是為每一路段建立具有唯一的編號(hào)統(tǒng)計(jì)區(qū)域，如圖2。統(tǒng)計(jì)區(qū)域的功能是對(duì)汽車發(fā)送過(guò)來(lái)的坐標(biāo)信息通過(guò)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)拆分，分類進(jìn)行存儲(chǔ)。例如1、2號(hào)點(diǎn)編入A區(qū)域數(shù)據(jù)庫(kù)，3、4號(hào)點(diǎn)編入B區(qū)域數(shù)據(jù)庫(kù)，5、6號(hào)點(diǎn)編入C區(qū)域數(shù)據(jù)庫(kù)，7號(hào)點(diǎn)編入D區(qū)域數(shù)據(jù)庫(kù)，A、B、C區(qū)域數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成了實(shí)時(shí)道路系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，每一個(gè)區(qū)域數(shù)據(jù)庫(kù)都記載著本路段的大量實(shí)時(shí)的道路信息。D區(qū)域數(shù)據(jù)庫(kù)與其它A、B、C區(qū)域數(shù)據(jù)庫(kù)有非常大的區(qū)別，因?yàn)樗男畔⒉杉c(diǎn)在常規(guī)數(shù)據(jù)庫(kù)之外，系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為此點(diǎn)位于城市公路之外，所以將此點(diǎn)作為非常規(guī)的點(diǎn)，不具有參考值，但是當(dāng)有大量的此點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)認(rèn)為此區(qū)域庫(kù)內(nèi)新建了一條道路，或者該道路取消了交通管制，車輛可以行駛。系統(tǒng)依據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)一步記錄的歷史詳細(xì)信息，就可以具體確定屬于何種情況，如果是新建道路的情況，則將此新建道路錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，如果是屬于取消交通管制，則不更新數(shù)據(jù)庫(kù)，只做出提醒駕駛員的動(dòng)作［3］。

圖2 路段區(qū)域圖

3.4 提取、統(tǒng)計(jì)信息

在實(shí)時(shí)道路系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，建立1 440個(gè)以時(shí)間段為劃分的子數(shù)據(jù)庫(kù)，以對(duì)應(yīng)全天1 440個(gè)時(shí)間段，以1 s為一個(gè)觸發(fā)點(diǎn)。提取存儲(chǔ)在區(qū)域數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)于時(shí)間信息的點(diǎn)，分別劃入相對(duì)應(yīng)的時(shí)間段數(shù)據(jù)庫(kù)。在對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間段拆分的同時(shí)也要進(jìn)行方向的拆分，這樣最后得到的對(duì)于每一條道路，都對(duì)應(yīng)2 880個(gè)記載著道路狀況的子數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.5 得出數(shù)據(jù)

綜合統(tǒng)計(jì)多臺(tái)車的信息連續(xù)點(diǎn)間的距離，在實(shí)時(shí)道路系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中可以簡(jiǎn)單地統(tǒng)計(jì)出對(duì)應(yīng)道路的平均行車速度W，以及行走整條道路所需的時(shí)間U，這些數(shù)據(jù)是隨時(shí)間變化的，并且具有方向性，在同一時(shí)間同一道路上，相同方向行駛的車輛的平均速度一般是相差不多，可以近似認(rèn)為是相同的，在實(shí)時(shí)道路系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，利用車輛傳過(guò)來(lái)的信息數(shù)據(jù)計(jì)算出某段時(shí)間段平均速度V，如果V與W數(shù)值相差很大，那么認(rèn)為此點(diǎn)不具有統(tǒng)計(jì)特性，去除該點(diǎn)。但是當(dāng)在某一段路某一時(shí)間內(nèi)有大量的點(diǎn)被去除，系統(tǒng)就會(huì)分析出此區(qū)域出現(xiàn)交通阻塞情況。

3.6 數(shù)據(jù)使用

利用綜合定位技術(shù)，現(xiàn)有的導(dǎo)航功能也不會(huì)受到影響，系統(tǒng)會(huì)考慮道路狀況隨時(shí)間的變化因素，根據(jù)行車時(shí)間設(shè)計(jì)最少時(shí)間路徑，提示道路的行車狀況。使用角速度傳感器測(cè)量車輛的轉(zhuǎn)向、加速度傳感器測(cè)量車輛運(yùn)動(dòng)速度和傾斜傳感器測(cè)量道路的坡度，利用這些技術(shù)手段稱之為航位推算法，也可以得到車輛在衛(wèi)星信號(hào)盲區(qū)的位置，再綜合利用慣性導(dǎo)航修正技術(shù)，就可以得出汽車精確的導(dǎo)航信息，同時(shí)在信號(hào)良好的區(qū)域，由于車輛運(yùn)動(dòng)的方向和位置是有慣性的，在極短的時(shí)間里不會(huì)發(fā)生突變，所以可以利用慣性信息去消除由于多徑效應(yīng)帶來(lái)的GPS定位數(shù)據(jù)的跳變。

3.7 數(shù)據(jù)模型

車輛的物理位置被轉(zhuǎn)換為UTM系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的坐標(biāo)，數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)車輛的靜態(tài)屬性和車輛的實(shí)時(shí)位置信息，忽略車輛形狀及大小，每輛車用一個(gè)點(diǎn)來(lái)表示，模型中每條公路段都有唯一的編號(hào)，車輛的行駛軌跡通過(guò)一系列的點(diǎn)表示。空間被分為公路段，將汽車的位置與速度信息化為一些具體的采樣點(diǎn)，數(shù)據(jù)取樣的間隔越短，數(shù)據(jù)就越精確。

對(duì)公路網(wǎng)、車輛、車輛的狀況及時(shí)間建立模塊，公路網(wǎng)由公路段組成。汽車的運(yùn)動(dòng)由它在各采樣點(diǎn)上的位置和速度來(lái)定義。這些值被實(shí)時(shí)記錄并更新，兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用四個(gè)參數(shù)a、t、v、d描述，其中a為汽車的加速度，t為兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)t1與t2之間的時(shí)刻，v為與時(shí)間點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的兩位置之間的速度，d為距離起點(diǎn)路段的距離，滿足三個(gè)計(jì)算式:

汽車將其位置與運(yùn)動(dòng)信息發(fā)送給中心站，中心站將這些數(shù)據(jù)信息收集起來(lái)，把加速度考慮進(jìn)來(lái)，可以減少存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的大小，如果某一次更新與最后一次更新相比，速度的改變?cè)谀硞€(gè)很小的變化范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)更新是可以忽略的。因此不是每一次的更新都會(huì)記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中，只有在這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)影響到運(yùn)動(dòng)估測(cè)時(shí)，才會(huì)被記錄下來(lái)并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.8 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

為了使系統(tǒng)高效運(yùn)行，必須對(duì)路段數(shù)據(jù)模型進(jìn)行不同的操作處理。除了最后一個(gè)參數(shù)，這條記錄中的每個(gè)參數(shù)要求大小一致。大多數(shù)情況下會(huì)有3到4個(gè)路段，利用一個(gè)數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)這一組數(shù)據(jù)。在特殊情況下，數(shù)據(jù)模型會(huì)出現(xiàn)多于或者少于4個(gè)單元的情況，假設(shè)單元數(shù)為k，處理規(guī)則如下:

(1)當(dāng)k小于4時(shí)，在第(k+1)到第4個(gè)單元中添0;

(2)當(dāng)k大于4時(shí)，前兩個(gè)單元與一般情況下一樣，設(shè)置第3單元為0，第4單元指向第3單元到第k單元的存儲(chǔ)地址，最后一位設(shè)為空［4］。

4 綜合定位

4.1 軟件方案

如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)能夠收到完整有效的GPS數(shù)據(jù)流，航位推算模塊將以GPS數(shù)據(jù)流的周期作為航位推算起始時(shí)間和計(jì)算周期，并保留航位推算有關(guān)的時(shí)間、經(jīng)度、緯度、速度、水平誤差、高度誤差、衛(wèi)星數(shù)量、航位、速度等有效信息，如果不能接收到有效的GPS數(shù)據(jù)流，航位推算模塊將啟動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部的綜合定位技術(shù)。

如果衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)可靠，將該數(shù)值保留作為航位推算的基準(zhǔn)點(diǎn)，使用GPS的定位數(shù)據(jù)輸出，具體包括方位、航向、速度等作為航位推算的輸出。反之，如果航位推算模塊的單片機(jī)判斷出衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)不可靠，模塊將利用綜合定位技術(shù)計(jì)算出的方位、航向、速度作為定位數(shù)據(jù)輸出，并采用和GPS相同的NEMA0183數(shù)據(jù)格式，流程圖如圖3所示。

圖3 模塊流程圖

4.2 導(dǎo)航模型中道路實(shí)時(shí)信息積累的優(yōu)勢(shì)

長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)積累形成的數(shù)據(jù)庫(kù)，給車載GPS導(dǎo)航的綜合定位算法提供了基礎(chǔ)依據(jù)，有利于對(duì)道路狀況進(jìn)行分析研究。有利于導(dǎo)航進(jìn)一步的發(fā)展，更加貼近人們的實(shí)際需求。擺脫對(duì)電子地圖的過(guò)度依賴，而且定位相對(duì)更加準(zhǔn)確。能夠促進(jìn)信息數(shù)據(jù)共享，并且在消防、急救等特殊情況下，時(shí)間最短路徑分析具有很明顯的優(yōu)勢(shì)［5］。

5 結(jié)論

本文主要研究了車載GPS導(dǎo)航中綜合定位技術(shù)的一些關(guān)鍵算法，旨在通過(guò)綜合定位的方法，解決在實(shí)際行車過(guò)程中存在的導(dǎo)航問(wèn)題，給車輛提供準(zhǔn)確的定位信息。

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