城市汽车导航定位系统研究

城市汽车导航定位系统研究

摘要：随着科技发展、社会进步、经济提高和人民生活水平的不断上升，汽车

的数量一直不断地增加，渐渐地成为人们出行必不可少的交通工具，路网中的交

通流也随之变得越来越密集化，因此产生很多交通安全性与便利性的问题函待解决。本文主要围绕城市汽车导航定位系统进行研究。

关键词：城市汽车；导航定位系统；精度

引言

对城市汽车来说，确定车辆在路段中的位置是进行控制和决策的关键，是实

时获取路网数据库中交通先验信息的基础，也是执行宏观规划各项任务的必要条件。广泛来说，城市汽车的行驶路段定位包括：获取城市汽车的定位信息；确定

城市汽车在路网数据库中的位置即地图匹配。

1、卫星导航定位系统概况

卫星导航定位系统是一种利用导航卫星进行测时和测距的系统，具有全天候、覆盖范围广、高精度、高效率、应用广泛、实时定位、可移动定位的特点。

空间部分、地面控制部分和用户部分是卫星导航定位系统不可缺少的三个结构。

卫星导航定位系统的空间部分由多颗卫星组成，其星座示意图如图2.3所示。总的来说，空间卫星部分共有三项功能：1.空间卫星可以提供星历和时间信息；2.向用户接收机发送伪距和载波信号；3.提供其他辅助信息。不同卫星导航定位系

统的空间卫星数目不同，其中GPS空间星座部分由24个工作卫星和4个备份卫

星组成，GLONASS由24个工作星和3个备份星组成，BDS由5个静止轨道卫星、30个非静止轨道卫星以及1个备份卫星组成，欧洲伽利略由30个卫星组成。

地面控制部分主要由人为搭建的功能站台组成。以GPS为例，其地面控制部

分包括5个卫星监测站、1个主控站和3个注入站。监测站均配装有精密的艳钟，并且能够连续测量到所有可见卫星。监测站的作用为：（1）取得卫星观测数据；（2）将观测数据进行处理；（3）将处理后的数据传送到主控站。主控站除了能

接受监测站传来的数据外，还能根据接收的数据计算出卫星的轨道和时钟参数，

并将结果送到3个注入站。注入站把相关数据及主控站指令注入到运行到正上方

的卫星中。与GPS相似，其他卫星导航定位系统的地面控制部分也能够实现监测站、控制和注入的功能。

用户部分主要是指用户接收机，能接收空间卫星发射的信号，是用来获取导

航定位服务的终端设备。

GPS的定位原理，实际上就是利用空间分布己知位置的卫星以及卫星与地面

点的距离交汇得出地面点的位置坐标。

2、影响定位精度的因素

2.1定位信息质量

定位信息质量的影响主要包括以下几个方面：（1）GPS接收机在地形复杂的

路段，由于高架桥、楼房、隧道等地物的遮挡，对部分卫星失去锁定，就会造成

较大的定位偏差使定位系统不稳，影响后续地图匹配的鲁棒性；（2）由传感器

观测到的城市汽车定位信息本身是存在误差的，因此城市汽车定位点或者行驶轨

迹数据与路网数据库存储数据间的相似性受到破坏，难以准确地判断出城市汽车

当前行驶道路。

2.2路网数据库的精度

路网数据库必须具有精确性，完整性，时效性。路网数据库中最重要的是对

路网精确的三维表征，而且要包含完整的拓扑结构。虽然路网数据库存储的数据

准确度较高，但其本身是存在误差的，主要包含以下几类：几何误差、属性误差、路网建模误差。其中和道路要素有关的属性误差对地图匹配影响不大，几何误差

和路网建模误差对地图匹配效果有着重要的影响。几何误差主要是指位置误差等；路网建模误差是采用错误方法进行建模造成的误差。

2.3路网的复杂程度

地图匹配质量受到路网的几何形状和空间分布特征的影响。路网结构越简单，匹配效果越好；反之，发生错误匹配的可能性越大。例如：当两条或多条道路平

行时，车辆很难识别出所在路段；当两条或多条道路交叉时，可能会出现车辆被

匹配在错误道路上的现象；当在立交桥等区域时，会产生上下桥的判断失误。路

网的复杂度将影响匹配候选路段的筛选，如果匹配精度不改变的情况下，提高道

路和位置点的匹配效率就需要将地图匹配算法简单化。

3、基于坐标增量的三维地图匹配算法

3.1基于坐标增量的三维地图匹配流程

为使地图匹配扩展到三维领域，同时保证地图匹配的实时性和准确性，本课

题提出一种基于坐标增量的三维地图匹配算法。流程为：首先根据城市汽车定位

模块输出的初始定位信息（己做滤波处理），利用基于DS证据推理的地图匹配

算法确定城市汽车在路网数据库中的当前行驶路段和初始投影位置点；然后，通

过城市汽车定位模块前后两个时刻输出的定位信息获得三维定位坐标增量；然后，基于车辆初始的投影点坐标和三维定位坐标增量对定位模块的定位数据进一步修正；最后将修正后的定位数据垂直投影到路网数据库中的道路中心线上获得汽车

在路网数据中的投影位置。

图1地图匹配流程

本文只利用基于DS证据推理的地图匹配算法确定出车辆当前行驶路段及车辆在路网数据库中的初始投影点，解决传统地图匹配算法需要时刻进行路段选择及

投影的弊端。在确定出车辆当前行驶路段及车辆在路网数据库中的初始投影点的

前提下，本文利用前后两时刻定位点增量和上一时刻的投影点对定位信息进行修正，并依次将修正后的定位点投影到路段上，完成汽车在路网数据库中的定位，

保证地图匹配的准确性。

3.2城市汽车行驶路段定位方案

在使用低成本传感器的条件下，为了获取比较准确的三维定位信息。本文为

了使获取的定位信息更加准确，利用基于参数设定自适应模型的卡尔曼滤波算法

对观测信息进行滤波，并且使滤波过程的自适应性更强。城市汽车的三维定位信

息经过滤波后，仍存在误差，使得定位点与车辆的实际位置点不重合，因此需要

完成城市汽车定位点与路网数据库中车辆的实际位置点匹配过程，实现在路网数

据库中的路段定位，最终完成城市汽车的行驶路段定位功能。

图2城市汽车行驶路段定位方案

其中的黄色框图代表城市汽车三维定位估计，蓝色框图代表基于坐标增量的

地图匹配。

结语

综上，汽车导航定位系统采用了先进的导航定位、通信和数字地图技术的汽

车导航系统是汽车系统自动化和信息化的重要设备，它可从根本上避免行驶盲目