GPS車載導(dǎo)航定位技術(shù)研究

劉興明，包曉光

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

隨著汽車的普及、交通需求的增長(zhǎng)，道路運(yùn)輸所帶來(lái)的交通擁堵，交通事故和環(huán)境污染等負(fù)面效應(yīng)，逐步成為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中的全球性問(wèn)題。車載導(dǎo)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(wèn)題的重要途徑之一［1］。

近幾年，國(guó)內(nèi)車載導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展如火如荼［2］。本文從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、定位方法分析、信息提取和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、導(dǎo)航電子地圖制作幾個(gè)方面研究車載導(dǎo)航定位技術(shù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車載導(dǎo)航系統(tǒng)由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、天線、GPS接收機(jī)、控制面板、車速傳感器、陀螺傳感器、揚(yáng)聲器、LCD顯示器、CD－ROM驅(qū)動(dòng)器、存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)通信接口、語(yǔ)音電路和紅外遙控器等組成［3］，如圖1所示。

圖1 GPS車載導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

安裝在車上的GPS接收機(jī)通過(guò)天線源源不斷地接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)過(guò)串口把這些信號(hào)傳輸?shù)綄?dǎo)航計(jì)算機(jī)，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)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(gòu)成的DR系統(tǒng)的信息進(jìn)行融合，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)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(dǎo)航地圖上顯示車輛的位置，同時(shí)，通過(guò)語(yǔ)音提示來(lái)引導(dǎo)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(dāng)前位置，還包括車輛通行范圍內(nèi)的地理信息，如加油站、醫(yī)院、學(xué)校等。另外，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)還能夠利用通訊模塊進(jìn)行無(wú)線通訊，來(lái)接收駕駛者的控制信息。

2 定位方法分析

隨著車載導(dǎo)航定位技術(shù)的飛速發(fā)展，各國(guó)研制的汽車導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)（INS）、航位推算系統(tǒng)（DR）、地圖匹配（MM）、地面無(wú)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(xiàn)［5］知這種方案是陸地車輛導(dǎo)航的最佳方案。

圖2是一種典型的GPS/DR/MM組合導(dǎo)航系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)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(gòu)成。車速傳感器將測(cè)得的汽車速度經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理后傳給數(shù)據(jù)采集卡，同時(shí)，由角速率陀螺儀測(cè)出的速率信號(hào)經(jīng)調(diào)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(hào)傳入導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，加上通過(guò)串口讀取的GPS接收機(jī)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)DR算法。DR系統(tǒng)的工作原理是：當(dāng)可用衛(wèi)星個(gè)數(shù)足夠時(shí)，即GPS接收機(jī)能接收到4顆以上GPS衛(wèi)星信號(hào)，導(dǎo)航系統(tǒng)即采用GPS/DR/MM組合的方式；當(dāng)載體接收不到足夠的衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，例如載體進(jìn)入高樓林立的市區(qū)或隧道時(shí)，導(dǎo)航系統(tǒng)則進(jìn)入DR模式，并將衛(wèi)星信號(hào)丟失前的最后一點(diǎn)作為初始點(diǎn)，以其坐標(biāo)位置與航向值作為初始數(shù)據(jù)，通過(guò)航位推算進(jìn)行自主導(dǎo)航，同時(shí)由于GPS位置精度的原因，在結(jié)合數(shù)字地圖分析處理時(shí)會(huì)出現(xiàn)軌跡點(diǎn)偏離道路的現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)用地圖匹配技術(shù)獲得結(jié)合路網(wǎng)的軌跡描述［6］。

圖2 GPS/DR/MM組合導(dǎo)航系統(tǒng)的硬件組成

3 數(shù)據(jù)提取與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

3.1 GPS信號(hào)數(shù)據(jù)格式

GPS接收機(jī)采用NMEA0183標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)（National Marine Electronics Association）為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式。目前也已成了GPS導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一的RTCM（Radio Technical Commission for Maritime services）標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

在接收GPS數(shù)據(jù)過(guò)程中，常用的定位語(yǔ)句是“GPRMC”語(yǔ)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(biāo)準(zhǔn)定位時(shí)間（UTC time）格式：時(shí)時(shí)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(duì)位移速度，0.0至1 851.8knots。

8）相對(duì)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(hào)坐標(biāo)提取

通過(guò)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M(jìn)IF這種文件格式儲(chǔ)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(zhǎng)度，數(shù)據(jù)段中包含了圖形實(shí)體的圖形數(shù)據(jù)，而MID文件為對(duì)應(yīng)實(shí)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(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

3.3.1 大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為空間大地直角坐標(biāo)

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

圖3所示的子午橢圓面相當(dāng)于圖4所示的ONP平面，其中PP2＝Z，相當(dāng)于圖4所示的Y；OP2相當(dāng)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(jié)得當(dāng)已知橢球面上任一點(diǎn)P的大地坐標(biāo)（B，L），可直接求出該點(diǎn)的空間大地直角坐標(biāo)（X，Y，Z）。

圖3 子午橢圓面

圖4 ONP平面

如果P點(diǎn)恰好不位于橢球上，例如，位于大地高為H的P′點(diǎn)處，此時(shí)由大地坐標(biāo)求空間大地直角坐標(biāo)的公式則為

3.3.2 北京54坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為西安80坐標(biāo)

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

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

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

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

首先，將導(dǎo)航數(shù)據(jù)導(dǎo)入相關(guān)軟件中生成行車路線；第2步，導(dǎo)入行車本地精確電子地圖；第3步，將導(dǎo)航數(shù)據(jù)與精確道路網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配；第4步，計(jì)算修正匹配后的點(diǎn)位，并重新生成匹配后的線路效果，驗(yàn)證算法結(jié)束［8－9］。

實(shí)驗(yàn)選擇的行車路線為從遼寧省測(cè)繪局到沈陽(yáng)市第十一中學(xué)。選擇這條線路的主要原因是線路兩旁5m范圍內(nèi)均有高樓或樹(shù)木遮擋GPS信號(hào)，使定位結(jié)果產(chǎn)生誤差，針對(duì)這種GPS觀測(cè)環(huán)境較差的區(qū)域，對(duì)地圖匹配精度進(jìn)行檢驗(yàn)。這種情況下進(jìn)行實(shí)地跑車實(shí)驗(yàn)，具體匹配結(jié)果如圖5所示［10］。

圖5 車輛匹配前后的軌跡圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，共進(jìn)行了3次道路選擇，都沒(méi)有發(fā)生錯(cuò)誤，由此可以說(shuō)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(jī)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(duì)于一般道路的匹配，匹配時(shí)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(jié)果

從圖中可以看出，采用最短距離投影法匹配結(jié)果是正確的，符合實(shí)際情況。說(shuō)明在一般道路時(shí)（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(jié)束語(yǔ)

一個(gè)基本的車載導(dǎo)航系統(tǒng)由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、GPS模塊、天線、控制面板、車速傳感器、陀螺傳感器、存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)通信接口、語(yǔ)音電路、LCD顯示器、揚(yáng)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(dǎo)航較好的組合定位方法。

GPS衛(wèi)星信號(hào)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(lái)；GPS定位系統(tǒng)應(yīng)用的坐標(biāo)系為WGS－84坐標(biāo)系，最終，通過(guò)七參數(shù)模型將其定位坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成國(guó)家大地坐標(biāo)系。

電子導(dǎo)航地圖的制作過(guò)程即是原始地圖信息的整合過(guò)程，將采集的數(shù)據(jù)構(gòu)成不同的屬性集，按照適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)管理方式逐級(jí)分層，最終顯示在相應(yīng)的導(dǎo)航設(shè)備上。

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