GNSS-GIS集成在車輛導(dǎo)航中的應(yīng)用

楊 誠，李瑞宗，李柏延

（1海南地質(zhì)綜合勘察設(shè)計院 ?？?570002 2 陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院 西安 710119）

引 言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS（Global Navigation Satellite System）也叫天基定位、導(dǎo)航、授時（PNT）系統(tǒng)，它的主要功能是提供空間、時間以及所有與位置有關(guān)的實時動態(tài)信息，簡而言之，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)該是所有在軌工作的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的總稱，包括GPS、GLONASS、Compass、Galileo等在內(nèi)的綜合星座系統(tǒng)。

地理信息系統(tǒng)GIS（Geographic Information System），是存儲、管理、數(shù)據(jù)處理與分析、顯示與應(yīng)用地理信息的計算機系統(tǒng)的總稱，它既是一種綜合性的技術(shù)方法，也是研究地理實體的應(yīng)用工具，它可以將現(xiàn)實世界抽象表達(dá)成一系列的地理特征，用數(shù)字化方法將現(xiàn)實離散化為數(shù)字信息，是一種重要的空間信息系統(tǒng)。

GIS具有強大的地理空間數(shù)據(jù)采集、存儲與管理、數(shù)據(jù)處理及空間分析等功能，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的優(yōu)勢是全天候、時效性，如將兩個系統(tǒng)的優(yōu)勢結(jié)合起來，則可為用戶提供實時動態(tài)的空間和時間信息。根據(jù)《中國統(tǒng)計摘要2013》的詳細(xì)統(tǒng)計，2000年我國民用汽車保有量是1.07×108輛，2012年我國民用汽車保有量達(dá)1.09×108輛，這對于地面交通是一個很嚴(yán)峻的考驗。經(jīng)統(tǒng)計，我國汽車銷售在近14年以每年20%左右的速度增長[1]，在這樣的情形下，將全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)與GIS集成進行車輛實時導(dǎo)航可以有效解決車輛的擁堵問題[2，3]，因此構(gòu)建一套基于GNSS和GIS技術(shù)的綜合交通導(dǎo)航系統(tǒng)具有重要的社會現(xiàn)實意義。

1 發(fā)展歷程

人類歷史上最早的車輛導(dǎo)航系統(tǒng)可以追溯到大約公元前2600年古代中國發(fā)明的指南車，這算是古代意義的導(dǎo)航起源，而現(xiàn)代意義上的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)是自1957年前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星開始。人造地球衛(wèi)星的發(fā)射極大地推動了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用，美國率先研發(fā)出海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)——子午儀（Transit）導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，隨后美國研發(fā)出GPS，當(dāng)時正處冷戰(zhàn)時期，前蘇聯(lián)不甘落后，研發(fā)出GLONASS導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。這些導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的研發(fā)主要是政府主導(dǎo)的，但自1990年后，導(dǎo)航系統(tǒng)走上了民營化道路，Trimble公司研發(fā)出的第一套定位系統(tǒng)，簡稱Vtrack系統(tǒng)，Navsys公司研發(fā)了請求中心救援的TIDGET系統(tǒng)，隨著民用導(dǎo)航系統(tǒng)的相繼出現(xiàn)和應(yīng)用，全球?qū)Ш较到y(tǒng)得到了極大的推廣和應(yīng)用。近年來，伴隨著信息化步伐的加快，軟件系統(tǒng)也趨向市場化、功能多元化[4]。上世紀(jì)90年代左右我國一些公司也開始積極探索研發(fā)相關(guān)導(dǎo)航定位系統(tǒng)，到21世紀(jì)初，導(dǎo)航定位系統(tǒng)在我國也得到了蓬勃發(fā)展，尤其是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的快速建網(wǎng)，使得我國車輛監(jiān)控產(chǎn)品呈現(xiàn)出多樣化。

總體而言，當(dāng)前GNSS正經(jīng)歷前所未有的三大轉(zhuǎn)變：①從單一的GPS時代轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘈亲⒋婕嫒莸腉NSS新時代，例如GPSRTK預(yù)留備用衛(wèi)星信道，可以同時接收北斗導(dǎo)航衛(wèi)星信號和俄羅斯的GLONASS衛(wèi)星信號，它結(jié)合了各導(dǎo)航定位系統(tǒng)的優(yōu)點，極大地提高了定位精度；②從以衛(wèi)星導(dǎo)航為應(yīng)用主體轉(zhuǎn)變?yōu)镻NT（定位、導(dǎo)航、授時）與移動通信及因特網(wǎng)等的融合，如目前國內(nèi)連續(xù)運行的基準(zhǔn)站系統(tǒng)CORS，能實時自動地向不同層次用戶、不同類型用戶以及不同需求用戶提供GPS觀測值、各種狀態(tài)信息、改正數(shù)以及靈活方便的定位服務(wù)，而且它很好地解決了大規(guī)模、長距離、高精度的GNSS定位問題；③從以銷售應(yīng)用產(chǎn)品為主逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐苑?wù)為主的新趨勢，最終GNSS將形成規(guī)?；⑿⌒突按蟊娀忍攸c。

2 研究現(xiàn)狀

車輛導(dǎo)航系統(tǒng)集成是一種以全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)為基礎(chǔ)，集成了GIS空間分析中的網(wǎng)絡(luò)分析等多種技術(shù)的輔助駕駛系統(tǒng)[5，6]。其主要功能是通過接收機接收到GNSS的定位信號，利用車載計算機快速計算出車輛的實時速度、時間、坐標(biāo)等定位信息，再利用相關(guān)的數(shù)據(jù)接口傳輸，將車輛的相關(guān)定位信息存入交通信息數(shù)據(jù)庫，然后將車輛的具體位置通過具有GIS查詢功能的電子地圖實時地顯示出來；它還可以實時地對車輛的確切位置以及周邊的詳細(xì)地理環(huán)境進行查詢，通過網(wǎng)絡(luò)分析在陌生的道路環(huán)境中計算出最優(yōu)的行駛路徑，從而實現(xiàn)GNSS導(dǎo)航定位與GIS地圖查詢功能的結(jié)合，實現(xiàn)車輛的快速自動化運行和作業(yè)。車輛導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 車輛導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 The construction of vehicle navigation system

近十幾年GNSS與GIS的集成在車輛導(dǎo)航領(lǐng)域中得到了進一步深化和發(fā)展。2000年以來，許多研究人員從研究導(dǎo)航系統(tǒng)中數(shù)字電子地圖的空間數(shù)據(jù)組織形式出發(fā)，開展了GNSS信號與GIS交通路網(wǎng)數(shù)據(jù)的匹配、最佳路徑的選擇、快速選擇、地圖隨駕駛方向快速實時語音提示和旋轉(zhuǎn)技術(shù)、語音識別技術(shù)等方面的研究和應(yīng)用[7～9]。在此基礎(chǔ)上，通過搭建車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的基本框架，進一步優(yōu)化出行路線，將出行時間最短確定為選擇路線時的主要考慮對象，同時提出了處理交叉口轉(zhuǎn)向限制及交叉口延誤的轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)法和直接計算法兩種解決方案。通過比較各短路徑長度確定適合實際需要的一條路徑。此外，建立導(dǎo)航定位系統(tǒng)測量與數(shù)字地圖實時配準(zhǔn)的地圖匹配算法，可以大大改善GNSS自主車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度[10～16]。

隨著GNSS自主車輛導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的提高，一些學(xué)者為提高城市交通管理水平，提出了智能交通系統(tǒng)ITS（Intelligent Transportation Systems）的設(shè)想和計劃。智能交通系統(tǒng)（ITS）就是將計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、電子技術(shù)相融合，組成一個非常復(fù)雜、龐大的綜合交通信息系統(tǒng)。它由數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、地圖匹配、路徑規(guī)劃、路徑引導(dǎo)、通訊等多個模塊構(gòu)成，目的是實現(xiàn)交通管理智能化，充分有效地利用路網(wǎng)資源，減少堵車、交通事故和交通環(huán)境污染。由此可見，ITS的發(fā)展離不開GIS、GNSS的支持，可以說GIS和GNSS是支持ITS發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)[17～21]。

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，GIS、GNSS及通信技術(shù)集成的車輛導(dǎo)航系統(tǒng)成為一種新趨勢，將車載終端與監(jiān)控終端有機地結(jié)合起來，利用廣大用戶手中的智能手機即可實現(xiàn)對車輛的上車導(dǎo)航、下車監(jiān)控[22]。

在算法上，研究者在實際的應(yīng)用中改進了迪杰斯特拉（Dijkstra）算法[23～26]，通過分析不同坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)間的轉(zhuǎn)換以及同一坐標(biāo)系統(tǒng)中大地坐標(biāo)和空間直角坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)GNSS數(shù)據(jù)在電子地圖上的顯示與更新，進而研究了地圖匹配算法，并以圖論中的網(wǎng)絡(luò)模型為參考，分析了幾種路徑規(guī)劃算法[27]。接著又提出以行駛時間為主要標(biāo)準(zhǔn)的改進的動態(tài)計算方法，將路段區(qū)分為阻塞、空閑、繁忙三種狀態(tài)，從而簡化了運算模式，提高了計算效率，優(yōu)化了已搜索節(jié)點集和待搜索節(jié)點集的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，簡化了重點判斷的標(biāo)準(zhǔn)，最終提高了運算效率[28]。后來有學(xué)者提出基于GIS的嵌入式城市高精度車輛定位與導(dǎo)航系統(tǒng)方案，它一般是在GPS、DR（Dead Reckoning）組合定位的基礎(chǔ)上，綜合各種地圖匹配算法，研究利用基于作業(yè)導(dǎo)向的地圖匹配架構(gòu)進行輔助定位的方法，因為DR系統(tǒng)是由陀螺儀和車輛里程表構(gòu)成，通過對車輛位置變化量和車輛航向角變化量的測量，遞推出車輛的位置變化，所以與DR系統(tǒng)的結(jié)合可以有效提高車輛導(dǎo)航定位的精度[29]。

車載導(dǎo)航系統(tǒng)和GIS的集成作用，包括導(dǎo)航地理數(shù)據(jù)的構(gòu)建與更新、路徑規(guī)劃與行駛引導(dǎo)，以及地圖匹配，這三個關(guān)鍵技術(shù)問題關(guān)系到車載導(dǎo)航系統(tǒng)能否成功運用于實際車輛導(dǎo)航，其中導(dǎo)航地理數(shù)據(jù)的構(gòu)建與更新尤為重要[30]。李德仁等給出了GNSS和GIS集成應(yīng)用的優(yōu)勢：低成本的建網(wǎng)投入，由于車輛GPS應(yīng)用依賴于成熟的移動通訊系統(tǒng)，所以不需要單獨的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，且使用簡單、方便，實用性強[31，32]。一些學(xué)者結(jié)合GPS定位和GIS技術(shù)實現(xiàn)了車輛導(dǎo)航功能，采用基于最小堆、二叉堆的直線優(yōu)化Dijkstra算法，實現(xiàn)了最短路徑分析功能，可以有效緩解日漸突出的城市交通問題[33，34]。最近有學(xué)者提出如何將高信息量的GIS地圖應(yīng)用到智能車的導(dǎo)航控制中，使得智能車的軌跡跟蹤控制能夠達(dá)到車道級別的精度要求，這成為當(dāng)前智能車技術(shù)發(fā)展的又一趨勢。文獻[35]通過推導(dǎo)汽車的位姿預(yù)測模型，總結(jié)駕駛員理想的操縱習(xí)慣，開展了智能車基于車道級軌跡模型的軌跡跟蹤控制研究。

3 結(jié)束語

本文主要討論了GIS與GNSS的集成在車輛導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用和發(fā)展，認(rèn)為GIS條件下導(dǎo)航系統(tǒng)的研究將是智能交通系統(tǒng)的一個重要研究方向。智能交通系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的信息系統(tǒng)，涉及到行政管理問題。未來交通云計算將改變現(xiàn)有交通系統(tǒng)的建設(shè)和運營模式，帶來的挑戰(zhàn)將非常大，而順應(yīng)技術(shù)發(fā)展趨勢無疑將帶來商務(wù)模式的創(chuàng)新，從而大幅提高道路網(wǎng)通行效率，減輕環(huán)境污染和財政損失。目前需要解決的關(guān)鍵問題是：①電子地圖精確度差、更新周期長。電子地圖繪制得越精確，定位也就越準(zhǔn)確，用戶使用起來就越方便，但我國城市電子地圖資源一直沒有一個完全開放的標(biāo)準(zhǔn)平臺，電子地圖的精確度較差，這與我國的電子地圖市場沒有放開是密不可分的。②GNSS車載系統(tǒng)價格居高不下。③缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。目前我國的車輛導(dǎo)航產(chǎn)品市場還處于各自為營的散亂經(jīng)營狀態(tài)，沒有統(tǒng)一的平臺支持，行業(yè)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。不同公司的GNSS產(chǎn)品及運營系統(tǒng)之間不能通用、兼容，產(chǎn)品的可靠性、一致性及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)方面存在著問題，而這些問題都妨礙了導(dǎo)航產(chǎn)品的推廣應(yīng)用?？偠灾?，如果電子地圖數(shù)據(jù)的問題能夠得到很好的解決，導(dǎo)航系統(tǒng)性價比比較合理，那么車輛導(dǎo)航系統(tǒng)在我國必定具有廣闊的市場前景。

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