楊 誠(chéng)，李瑞宗，李柏延

（1海南地質(zhì)綜合勘察設(shè)計(jì)院 海口 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(shí)（PNT）系統(tǒng)，它的主要功能是提供空間、時(shí)間以及所有與位置有關(guān)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，簡(jiǎn)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(chēng)，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(chǔ)、管理、數(shù)據(jù)處理與分析、顯示與應(yīng)用地理信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的總稱(chēng)，它既是一種綜合性的技術(shù)方法，也是研究地理實(shí)體的應(yīng)用工具，它可以將現(xiàn)實(shí)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(shí)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(qiáng)大的地理空間數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)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(shì)是全天候、時(shí)效性，如將兩個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，則可為用戶提供實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的空間和時(shí)間信息。根據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)摘要2013》的詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，2000年我國(guó)民用汽車(chē)保有量是1.07×108輛，2012年我國(guó)民用汽車(chē)保有量達(dá)1.09×108輛，這對(duì)于地面交通是一個(gè)很?chē)?yán)峻的考驗(yàn)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)汽車(chē)銷(xiāo)售在近14年以每年20%左右的速度增長(zhǎng)[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(jìn)行車(chē)輛實(shí)時(shí)導(dǎo)航可以有效解決車(chē)輛的擁堵問(wèn)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(huì)現(xiàn)實(shí)意義。

1 發(fā)展歷程

人類(lèi)歷史上最早的車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)可以追溯到大約公元前2600年古代中國(guó)發(fā)明的指南車(chē)，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(kāi)始。人造地球衛(wèi)星的發(fā)射極大地推動(dòng)了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用，美國(guó)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(guó)研發(fā)出GPS，當(dāng)時(shí)正處冷戰(zhàn)時(shí)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(yíng)化道路，Trimble公司研發(fā)出的第一套定位系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)Vtrack系統(tǒng)，Navsys公司研發(fā)了請(qǐng)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(lái)，伴隨著信息化步伐的加快，軟件系統(tǒng)也趨向市場(chǎng)化、功能多元化[4]。上世紀(jì)90年代左右我國(guó)一些公司也開(kāi)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(guó)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(guó)車(chē)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?gòu)膯我坏腉PS時(shí)代轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘈亲⒋婕嫒莸腉NSS新時(shí)代，例如GPSRTK預(yù)留備用衛(wèi)星信道，可以同時(shí)接收北斗導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)和俄羅斯的GLONASS衛(wèi)星信號(hào)，它結(jié)合了各導(dǎo)航定位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)）與移動(dòng)通信及因特網(wǎng)等的融合，如目前國(guó)內(nèi)連續(xù)運(yùn)行的基準(zhǔn)站系統(tǒng)CORS，能實(shí)時(shí)自動(dòng)地向不同層次用戶、不同類(lèi)型用戶以及不同需求用戶提供GPS觀測(cè)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(zhǎng)距離、高精度的GNSS定位問(wèn)題；③從以銷(xiāo)售應(yīng)用產(chǎn)品為主逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐苑?wù)為主的新趨勢(shì)，最終GNSS將形成規(guī)?；?、小型化及大眾化等特點(diǎn)。

2 研究現(xiàn)狀

車(chē)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(guò)接收機(jī)接收到GNSS的定位信號(hào)，利用車(chē)載計(jì)算機(jī)快速計(jì)算出車(chē)輛的實(shí)時(shí)速度、時(shí)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(chē)輛的相關(guān)定位信息存入交通信息數(shù)據(jù)庫(kù)，然后將車(chē)輛的具體位置通過(guò)具有GIS查詢功能的電子地圖實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)；它還可以實(shí)時(shí)地對(duì)車(chē)輛的確切位置以及周邊的詳細(xì)地理環(huán)境進(jìn)行查詢，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析在陌生的道路環(huán)境中計(jì)算出最優(yōu)的行駛路徑，從而實(shí)現(xiàn)GNSS導(dǎo)航定位與GIS地圖查詢功能的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的快速自動(dòng)化運(yùn)行和作業(yè)。車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 車(chē)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(chē)輛導(dǎo)航領(lǐng)域中得到了進(jìn)一步深化和發(fā)展。2000年以來(lái)，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(kāi)展了GNSS信號(hào)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(shí)時(shí)語(yǔ)音提示和旋轉(zhuǎn)技術(shù)、語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)等方面的研究和應(yīng)用[7～9]。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)搭建車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)的基本框架，進(jìn)一步優(yōu)化出行路線，將出行時(shí)間最短確定為選擇路線時(shí)的主要考慮對(duì)象，同時(shí)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(jì)算法兩種解決方案。通過(guò)比較各短路徑長(zhǎng)度確定適合實(shí)際需要的一條路徑。此外，建立導(dǎo)航定位系統(tǒng)測(cè)量與數(shù)字地圖實(shí)時(shí)配準(zhǔn)的地圖匹配算法，可以大大改善GNSS自主車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度[10～16]。

隨著GNSS自主車(chē)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(jì)劃。智能交通系統(tǒng)（ITS）就是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、電子技術(shù)相融合，組成一個(gè)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(kù)、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(gè)模塊構(gòu)成，目的是實(shí)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(chē)、交通事故和交通環(huán)境污染。由此可見(jiàn)，ITS的發(fā)展離不開(kāi)GIS、GNSS的支持，可以說(shuō)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(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)成為一種新趨勢(shì)，將車(chē)載終端與監(jiān)控終端有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，利用廣大用戶手中的智能手機(jī)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的上車(chē)導(dǎo)航、下車(chē)監(jiān)控[22]。

在算法上，研究者在實(shí)際的應(yīng)用中改進(jìn)了迪杰斯特拉（Dijkstra）算法[23～26]，通過(guò)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(shí)現(xiàn)GNSS數(shù)據(jù)在電子地圖上的顯示與更新，進(jìn)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(shí)間為主要標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)的動(dòng)態(tài)計(jì)算方法，將路段區(qū)分為阻塞、空閑、繁忙三種狀態(tài)，從而簡(jiǎn)化了運(yùn)算模式，提高了計(jì)算效率，優(yōu)化了已搜索節(jié)點(diǎn)集和待搜索節(jié)點(diǎn)集的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了重點(diǎn)判斷的標(biāo)準(zhǔn)，最終提高了運(yùn)算效率[28]。后來(lái)有學(xué)者提出基于GIS的嵌入式城市高精度車(chē)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(jìn)行輔助定位的方法，因?yàn)镈R系統(tǒng)是由陀螺儀和車(chē)輛里程表構(gòu)成，通過(guò)對(duì)車(chē)輛位置變化量和車(chē)輛航向角變化量的測(cè)量，遞推出車(chē)輛的位置變化，所以與DR系統(tǒng)的結(jié)合可以有效提高車(chē)輛導(dǎo)航定位的精度[29]。

車(chē)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(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題關(guān)系到車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)能否成功運(yùn)用于實(shí)際車(chē)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(shì)：低成本的建網(wǎng)投入，由于車(chē)輛GPS應(yīng)用依賴(lài)于成熟的移動(dòng)通訊系統(tǒng)，所以不需要單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，且使用簡(jiǎn)單、方便，實(shí)用性強(qiáng)[31，32]。一些學(xué)者結(jié)合GPS定位和GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了車(chē)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(shí)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(wèn)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(chē)的導(dǎo)航控制中，使得智能車(chē)的軌跡跟蹤控制能夠達(dá)到車(chē)道級(jí)別的精度要求，這成為當(dāng)前智能車(chē)技術(shù)發(fā)展的又一趨勢(shì)。文獻(xiàn)[35]通過(guò)推導(dǎo)汽車(chē)的位姿預(yù)測(cè)模型，總結(jié)駕駛員理想的操縱習(xí)慣，開(kāi)展了智能車(chē)基于車(chē)道級(jí)軌跡模型的軌跡跟蹤控制研究。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要討論了GIS與GNSS的集成在車(chē)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(gè)重要研究方向。智能交通系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的信息系統(tǒng)，涉及到行政管理問(wèn)題。未來(lái)交通云計(jì)算將改變現(xiàn)有交通系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)模式，帶來(lái)的挑戰(zhàn)將非常大，而順應(yīng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)無(wú)疑將帶來(lái)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(cái)政損失。目前需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是：①電子地圖精確度差、更新周期長(zhǎng)。電子地圖繪制得越精確，定位也就越準(zhǔn)確，用戶使用起來(lái)就越方便，但我國(guó)城市電子地圖資源一直沒(méi)有一個(gè)完全開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，電子地圖的精確度較差，這與我國(guó)的電子地圖市場(chǎng)沒(méi)有放開(kāi)是密不可分的。②GNSS車(chē)載系統(tǒng)價(jià)格居高不下。③缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。目前我國(guó)的車(chē)輛導(dǎo)航產(chǎn)品市場(chǎng)還處于各自為營(yíng)的散亂經(jīng)營(yíng)狀態(tài)，沒(méi)有統(tǒng)一的平臺(tái)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(yùn)營(yíng)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(wèn)題，而這些問(wèn)題都妨礙了導(dǎo)航產(chǎn)品的推廣應(yīng)用?？偠灾绻娮拥貓D數(shù)據(jù)的問(wèn)題能夠得到很好的解決，導(dǎo)航系統(tǒng)性價(jià)比比較合理，那么車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)在我國(guó)必定具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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