劉興明，包曉光

（遼寧工程技術大學 測繪與地理科學學院，遼寧 阜新 123000）

隨著汽車的普及、交通需求的增長，道路運輸所帶來的交通擁堵，交通事故和環(huán)境污染等負面效應，逐步成為經(jīng)濟和社會發(fā)展中的全球性問題。車載導航系統(tǒng)作為智能交通系統(tǒng)（ITS）的重要組成部分，是解決這一問題的重要途徑之一［1］。

近幾年，國內車載導航系統(tǒng)的發(fā)展如火如荼［2］。本文從系統(tǒng)設計、定位方法分析、信息提取和坐標轉換、導航電子地圖制作幾個方面研究車載導航定位技術。

1 系統(tǒng)設計

車載導航系統(tǒng)由導航計算機、天線、GPS接收機、控制面板、車速傳感器、陀螺傳感器、揚聲器、LCD顯示器、CD－ROM驅動器、存儲器、網(wǎng)絡通信接口、語音電路和紅外遙控器等組成［3］，如圖1所示。

圖1 GPS車載導航系統(tǒng)結構框圖

安裝在車上的GPS接收機通過天線源源不斷地接收GPS衛(wèi)星信號，經(jīng)過串口把這些信號傳輸?shù)綄Ш接嬎銠C，導航計算機提取出所需的經(jīng)度、緯度、速度和航向等數(shù)據(jù)后，再將由車速傳感器和陀螺傳感器構成的DR系統(tǒng)的信息進行融合，通過坐標轉換、精度分析和誤差改正等算法得到車輛的定位信息，最后在由GIS軟件制作的電子導航地圖上顯示車輛的位置，同時，通過語音提示來引導駕駛員選擇最優(yōu)的行駛路線。其中，電子地圖上顯示的不僅僅是車輛的當前位置，還包括車輛通行范圍內的地理信息，如加油站、醫(yī)院、學校等。另外，導航計算機還能夠利用通訊模塊進行無線通訊，來接收駕駛者的控制信息。

2 定位方法分析

隨著車載導航定位技術的飛速發(fā)展，各國研制的汽車導航定位系統(tǒng)采用的方法很多，但全球定位系統(tǒng)（GPS）、慣性導航系統(tǒng)（INS）、航位推算系統(tǒng)（DR）、地圖匹配（MM）、地面無線電頻率定位（TRF）等單一定位方法都存在一定的不足［4］，因此采用GPS/DR/電子地圖組合定位方法，由文獻［5］知這種方案是陸地車輛導航的最佳方案。

圖2是一種典型的GPS/DR/MM組合導航系統(tǒng)的硬件組成結構圖。DR系統(tǒng)由車速傳感器、角速率陀螺儀和數(shù)據(jù)采集卡構成。車速傳感器將測得的汽車速度經(jīng)信號調理電路調理后傳給數(shù)據(jù)采集卡，同時，由角速率陀螺儀測出的速率信號經(jīng)調理后一并傳給數(shù)據(jù)采集卡。然后數(shù)據(jù)采集卡將這路信號傳入導航計算機，加上通過串口讀取的GPS接收機信號，從而實現(xiàn)DR算法。DR系統(tǒng)的工作原理是：當可用衛(wèi)星個數(shù)足夠時，即GPS接收機能接收到4顆以上GPS衛(wèi)星信號，導航系統(tǒng)即采用GPS/DR/MM組合的方式；當載體接收不到足夠的衛(wèi)星信號時，例如載體進入高樓林立的市區(qū)或隧道時，導航系統(tǒng)則進入DR模式，并將衛(wèi)星信號丟失前的最后一點作為初始點，以其坐標位置與航向值作為初始數(shù)據(jù)，通過航位推算進行自主導航，同時由于GPS位置精度的原因，在結合數(shù)字地圖分析處理時會出現(xiàn)軌跡點偏離道路的現(xiàn)象，此時應用地圖匹配技術獲得結合路網(wǎng)的軌跡描述［6］。

圖2 GPS/DR/MM組合導航系統(tǒng)的硬件組成

3 數(shù)據(jù)提取與坐標轉換

3.1 GPS信號數(shù)據(jù)格式

GPS接收機采用NMEA0183標準，該標準是美國國家海洋電子協(xié)會（National Marine Electronics Association）為海用電子設備制定的標準格式。目前也已成了GPS導航設備統(tǒng)一的RTCM（Radio Technical Commission for Maritime services）標準協(xié)議。

在接收GPS數(shù)據(jù)過程中，常用的定位語句是“GPRMC”語句，從$GPRMC段中可以獲得定位所需的經(jīng)緯度、行駛速度等信息［7］。

$GPRMC，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞，＜7＞，＜8＞，＜9＞，＜10＞，＜11＞＜CR＞＜LF＞

1）標準定位時間（UTC time）格式：時時分分秒秒.秒秒秒（hhmmss.sss）。

2）定位狀態(tài)，A＝數(shù)據(jù)可用，V＝數(shù)據(jù)不可用。

3）緯度，格式：度度分分.分分分分（ddmm.mmmm）。

4）緯度區(qū)分，北半球（N）或南半球（S）。

5）經(jīng)度，格式：度度分分.分分分分。

6）經(jīng)度區(qū)分，東（E）半球或西（W）半球。

7）相對位移速度，0.0至1 851.8knots。

8）相對位移方向，000.0至359.9度。

9）日期，格式：日日月月年年（ddmmyy）。

10）磁極變量，000.0至180.0。

11）度數(shù)。

3.2 GPS信號坐標提取

通過編制程序，可以從GPS采集的數(shù)據(jù)中提取出經(jīng)緯度，這些基本信息以MID或者MIF這種文件格式儲存，MIF文件由文件頭和數(shù)據(jù)段組成，文件頭包含的信息是圖形屬性信息中的名稱、類型、長度，數(shù)據(jù)段中包含了圖形實體的圖形數(shù)據(jù)，而MID文件為對應實體的屬性數(shù)據(jù)MIF.MID文件是MapInlo的外部數(shù)據(jù)交換文件，可以在MapInlo中使用，直接將定位數(shù)據(jù)在圖中顯示。

3.3 GPS車載導航系統(tǒng)坐標轉換

3.3.1 大地坐標轉換為空間大地直角坐標

WGS－84坐標系是大地坐標系，用大地緯度B，大地經(jīng)度L和大地高H來表示點的位置。北京54坐標系和西安80坐標系是空間大地直角坐標系，用X，Y，Z來表示點的位置。

圖3所示的子午橢圓面相當于圖4所示的ONP平面，其中PP2＝Z，相當于圖4所示的Y；OP2相當于圖4所示的X。兩平面的經(jīng)度L可視為相同，等于∠P1OP2，于是可以直接寫出：X＝xcosL，Y＝xsinL，Z＝Y得當已知橢球面上任一點P的大地坐標（B，L），可直接求出該點的空間大地直角坐標（X，Y，Z）。

圖3 子午橢圓面

圖4 ONP平面

如果P點恰好不位于橢球上，例如，位于大地高為H的P′點處，此時由大地坐標求空間大地直角坐標的公式則為

3.3.2 北京54坐標轉換為西安80坐標

1）將北京54坐標系中的平面坐標（X54，Y54）按照高斯投影坐標反算公式換算成大地坐標（B54，L54）。

2）將大地坐標（B54，L54）換算成西安80坐標系中的大地坐標（B80，L80）。

3）根據(jù)高斯投影坐標正算公式，將大地坐標（B80，L80）換算成平面坐標（X80，Y80）。

4 試驗結果及分析

首先，將導航數(shù)據(jù)導入相關軟件中生成行車路線；第2步，導入行車本地精確電子地圖；第3步，將導航數(shù)據(jù)與精確道路網(wǎng)數(shù)據(jù)進行匹配；第4步，計算修正匹配后的點位，并重新生成匹配后的線路效果，驗證算法結束［8－9］。

實驗選擇的行車路線為從遼寧省測繪局到沈陽市第十一中學。選擇這條線路的主要原因是線路兩旁5m范圍內均有高樓或樹木遮擋GPS信號，使定位結果產(chǎn)生誤差，針對這種GPS觀測環(huán)境較差的區(qū)域，對地圖匹配精度進行檢驗。這種情況下進行實地跑車實驗，具體匹配結果如圖5所示［10］。

圖5 車輛匹配前后的軌跡圖

實驗過程中，共進行了3次道路選擇，都沒有發(fā)生錯誤，由此可以說明該地圖匹配算法具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。圖5中，淺色的軌跡是匹配前GPS接收機定位數(shù)據(jù)連成的曲線，深色的軌跡是匹配后的行車路線。從圖中可以看出，匹配前定位數(shù)據(jù)存在很大的誤差，尤其是在交叉路口。匹配后，定位軌跡精確地符合到正確的道路上了。

對于一般道路的匹配，匹配時只需要利用最短距離投影法將GPS定位軌跡投影到道路中心即可。圖6和圖7分別為匹配前后的軌跡圖。

圖6 原始跑車軌跡

圖7 最短距離投影方法的匹配結果

從圖中可以看出，采用最短距離投影法匹配結果是正確的，符合實際情況。說明在一般道路時（尤其是直行道路）采用最短距離投影法具有較高的匹配效率。

5 結束語

一個基本的車載導航系統(tǒng)由導航計算機、GPS模塊、天線、控制面板、車速傳感器、陀螺傳感器、存儲器、網(wǎng)絡通信接口、語音電路、LCD顯示器、揚聲器和紅外遙控器等組成。

任何一種單一的定位方法都有其自身的局限性，因此，將幾種定位方法有效地組合，可大大提高定位精度和可靠性。其中，GPS/DR/MM組合定位方法是陸地車輛導航較好的組合定位方法。

GPS衛(wèi)星信號所包含的定位信息有其特定的格式，利用Visual C＋＋編寫程序可將其中所需的定位信息提取出來；GPS定位系統(tǒng)應用的坐標系為WGS－84坐標系，最終，通過七參數(shù)模型將其定位坐標轉換成國家大地坐標系。

電子導航地圖的制作過程即是原始地圖信息的整合過程，將采集的數(shù)據(jù)構成不同的屬性集，按照適當?shù)臄?shù)據(jù)管理方式逐級分層，最終顯示在相應的導航設備上。

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