个人定位系统的地图匹配方法
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4 算法设计
(1) 主程序流程
地图匹配
求出当前位置的坐标和时间 （x,y,z,T）
计算运动轨迹
原始误差修正
匹配角度是否有 较大的改变？
从基准数据库取出地物数据 （例如：线, 属性等）
全局修正程序
运动轨迹是否超出 地物轮廓线？
返回初始值
局部修正子程序
将数据添加到数据库中
结束
图 1 地图匹配主程序流程 1)从位置数据存储器中取出当前估算点和前面匹配点的坐标和 时间（x，ｙ，ｚ，Ｔ）。 2)计算出两点之间的运行轨迹。 3)通过拟合函数对误差进行修正，得到正确的距离和角度即运 行轨迹。拟合函数的拟合系数是由前面的匹配得到。
3 设计原理
(1) 组合匹配算法原理 在对算法进行详尽的描述之前，我们先对算法的基本框 架和原理作一些解释。基准数据库包括两部分:一是组成地物 轮廓线的点数据；二是由节点和线组成的网状数据。估算点 和其对应修正点的坐标和时间分别存储在这些数据库中。 只要没有超出某一地物区域（如双线墙的边界线），则 人每走一步的估算位置按其实际坐标投影在地图上，也就是 将估算点重新定位在由地物轮廓线组成的面上而不是由节
1 概述
在 GPS 信号因遮挡而丢失的情况下，其定位误差将增 大，甚至可能出现不能定位的情况，这就需要建立完善的定 位算法来覆盖这些地区，对人的行动进行高精度的跟踪，使 用加速陀螺传感器配合 GPS 接收器的个人定位系统已经发 展成一种成熟的定位方法。但是，定位误差的积累却是不可 避免的。车载 GPS 地图匹配算法中是假设用户一直在与地图 相对应的道路上行驶的前提下，不断修改用户位置的估计 值，因此此匹配算法远远不能满足个人定位系统的定位要 求。因为从步伐大小和行走的方向中得到的数据远没有从车 轮中得到的速度和方向准确。另外，在车载 GPS 的匹配算法 中假定汽车总是行驶在路上，允许系统不断修正汽车的估计 数据，使之与数据库中的由点线组成的道路相一致。而个人 的运动却是复杂的，个人运动很难达到总是在道路的中心行 走，或者以固定的速度行驶。例如，从道路的这一边到那一 边；垂直方向如爬山，上楼梯等。为了解决这一问题，本文 提出了一种组合地图匹配算法，此算法使用三维数据库，把 运动的区域（道路，山，楼梯等）作为一多边形来看待，能 够很好地解决个人运动的不确定性，包括平面和垂直运动。
6）如果角度<900，则把此角和阈值相比较。若夹角小于阈值则 把路径绕最近拐弯点转过此角度；若大于阈值，则把估计值定位到 距离轮廓线 30cm 的地方继续向前进行匹配。
7）修正路径上所有点的坐标和时间一并存储。 8）记录下修正前后的距离和角度的比率，计算出距离和角度的 修改系数并存储。
局部修正匹配算法流程如图 2 所示。
参考文献
2）根据节点和边计算出当前拐弯点和前面节点的距离。 3）在距交点的距离<阈值的范围内找到最符合的节点，否则退 出匹配过程。 4）在所有与此节点有连接的边中，找到形成此角度的最短的边。 5）从此节点起改变路径的形状，使以后的运行轨迹以最近似的 角度使之与估算位置相拟合。
5 结论
对于以上介绍的算法，主要用于在三维空间中对个人运 动的跟踪。通过对个人定位系统中模拟数据的真值和误差的 分析，表明此组合算法不仅适用于三维空间的定位，而且极 大地提高了个人的定位精度。
2）计算路径上每一步的角度，并且和阈值作比较，得出最近的 拐弯点并计算出此拐弯点的坐标和时间。
3）在路径与地物相交的轮廓线上判断交叉点的附近有没有其他 地物的入口。
4）如果存在与其他地物的交叉点，则把与轮廓线的交叉点定位 在其他地物的入口点。
5）如果拐弯点的附近没有其他地物的入口，则计算路径和轮廓 线的角度。如果拐角≥900，则把地物轮廓线绕最近的拐弯点旋转 1800，得出夹角。
4)从数据库中取出估算点附近的地物数据。 5)判断轨迹是否穿过其地物轮廓线，如果穿出了则转到局部匹 配算法。如果没有越过轮廓线，则把估算位置的坐标和时间作为修 正点的坐标和时间存储。 6)把当前位置的修正值存入位置数据库中。
主程序流程如图 1 所示。 （2）局部修正匹配算法流程
1）判断轨迹和轮廓线的交点是否位于另一地物的入口，如果正 好位于另一地物的入口，则把估算位置和时间作为修正位置和时间 存入数据库。如果交叉点没有位于两地物的边界，则把整条路径从 最近的拐弯点开始计算。
2 个ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ定位系统的匹配算法及其研究发展
在提出算法之前，我们先回顾一下目前通用的地图匹配 算法并指出存在的问题以及发展。从大的方面划分，目前通 用的算法主要分为两类：一类方法是根据个人运动过程中经 过的明显特征点（例如出现拐弯）进行的匹配。也就是说， 当个人的运动中出现明显特征点时，根据电子地图中对应的 地物网格的相似性和映射关系，决定人最可能走在哪一条道
（山东大学计算机学院，济南 250061）
摘 要：虽然车载导航定位系统已经比较成熟，但汽车却一直行驶在道路上，其算法也是依据行驶的距离和方位就能很好地匹配，而人的 运动却复杂得多，因为人的运动包括水平面的运动和垂直方向的运动，也就是说匹配应该是三维匹配，所以匹配算法应包括两个方面：一 是依据所走路线的改变而进行的匹配（平面匹配）；二是沿地物轮廓线的螺旋上升而进行的匹配（高程匹配）。该文综合了平面与垂直两个 方向运动，提出了一种在三维空间中对人的运动进行高精确度跟踪的匹配算法。 关键词：地图匹配；定位；三维空间；陀螺传感器
Method of Map Matching for Personal Positioning System
GUAN Suqing, LIU Jie, YIN Jianghui
(Computer College of Shandong University, Jinan 250061)
【Abstract】While it has already been in practical use for car navigation systems, its simple based on distance and direction estimation is not sufficient for tracking of man’s complicated movement. In addition, matching should be done for three-dimension maps because human movement consists of both vertical and horizontal motion. The algorithm proposed in this paper combines two of the current algorithms, one of which is based on matching one’s shift patterns with shapes of road network, and the other is for a frequent step-by-step adjustment of one’s estimated position against outlines of objects around it. Using this integrating algorithm ,the paper proposes a new map matching method which give goods performance in terms of accuracy of positioning system for human movement in 3D space. 【Key words】Map matching; Positioning; 3D-space; Gyrocompass
第 31 卷 第 10 期 Vol.31 № 10
计算机工程 Computer Engineering
·工程应用技术与实现·
文章编号：1000—3428(2005)10—0206—03 文献标识码：A
个人定位系统的地图匹配方法
2005 年 5 月 May 2005
中图分类号：TP302.1
管素清，刘 捷，尹江会
记录数据
将路径旋转 180 度得夹角
结束
此角度小于阈值？
把此交点移动到距离轮廓线 一定距离处重新定位
将路径绕最近拐弯点 旋转此角度
修正整条路径上的所有点坐标 及时间（x,y,z,T）
计算出距离及角度的 修正系数并存储
结束
图 2 局部修正子程序
（3）全局修正匹配算法
—207—
1）从数据库中取出此拐弯点附近一定范围内的所有节点和边。
路的哪一侧。匹配的一般思路是“在拐弯处拐弯”。但这是 没有规律的事件，经常会出现到交叉路口不拐弯的情况，由 于匹配的过程是按一定的时间间隔进行的，所以不拐弯的情 况会带来误差的积累。另一种算法是实时计算估算点到与其 对应的地图匹配点的距离，保证了在人离开匹配道路一定距 离范围内，能够对估算点进行重新定位从而找到正确的匹配 点。虽然这种方法有效地避免了由于误差的积累所造成的错 误匹配，但是此算法设计思想的前提是，假定匹配边是正确 的，匹配过程中只对估算点进行修正而不能对匹配边修正， 一旦错误地选择了某一条匹配轮廓线，则错误的匹配将一直 延续下去。大量的跑车实验和模拟实验发现这种错误的匹配 开始往往出现在道路交叉口。总之，这两种方法都是各有优 势与缺点。于是，在这两种通用算法的基础上，我们提出综 合这两种算法的地图匹配算法。
局部修正
个人运动轨迹与轮廓线交点 是另一地物“入口”？
计算最近拐弯点到此交点的 整条路径数据
保存路径数据 结束
对周围的一定区域范围内的 拐弯点进行检查
拐弯点的附近有无其他 地物的“入口？”
计算出运动路径到 第五轮廓线的角度
此角度小于 90 度？
把交点重新定位在 “入口”处
修正运行的前段路径把此段路径的 结束点定位在另一地物的“入口”，
1 Miyata T, Furusawa K, Thukamoto K. A Method of Map Matching for Automotive NavigationT. IEE Japan, 1991,111-C(10): 83-89
2 Miyata T, Kimura Y, Thukamoto K. A Method of Map Matching Using A Low Precision Angular Sensor. Research Report: Faculty of Engineering of Lbaraki University, 1994, 42:109-115
循环使用局部修正算法，如果运动轨迹拐弯角度大于某 一阈值，则对角度变化前后之间轨迹上的所有点进行全局修 正。使用全局修正算法能够将运行轨迹按转弯角度正确地拟 合到匹配道路上 。当然全局修正算法使用的是网状数据库。
(2) 局部修正匹配算法 当人的运行轨迹与地物轮廓线出现交叉点时，根据轨迹 和轮廓线组成的角度来对估算点进行重新定位。如果角度小 于阈值则认为错误的定位是由于速度陀螺仪的漂移误差引 起的，修正方法以前一拐弯点为中心按比例旋转当前位置点 到正确的方向；如果角度大于阈值，一般是因为距离误差使 得运行轨迹与地物轮廓线相交，解决方法是调整轨迹的长 度，对当前位置重新定位。 (3) 全局修正匹配算法 使用同一方向的数据过程中，如果在短距离内突然出现 大幅度的匹配角度变化，则匹配算法应该从局部修正算法转 到全局匹配算法。在交叉点的附近（可以设置一定的阈值半 径），按照变化的角度在网格数据库中查找拐弯点或者曲弧， 判断出用户最可能在哪一条道路的哪一侧运行，根据对应的 匹配形状修正轨迹的长度和角度。
作者简介：管素清(1971—) ，女，硕士生，主研方向：图形学，GPS 等；刘 捷，教授；尹江会，硕士生
定稿日期：2004-05-01 E-mail：guansuqing@tom.com
—206—
点和线组成的网格上。当运动轨迹和地物轮廓线出现交叉点 时，采用局部修正算法把此交叉点和前一交叉点之间的所有 点位置局部修正到正确的地形上。这是一种不断修正的方 法，边修正边实时地记录位置。
(1) 主程序流程
地图匹配
求出当前位置的坐标和时间 （x,y,z,T）
计算运动轨迹
原始误差修正
匹配角度是否有 较大的改变？
从基准数据库取出地物数据 （例如：线, 属性等）
全局修正程序
运动轨迹是否超出 地物轮廓线？
返回初始值
局部修正子程序
将数据添加到数据库中
结束
图 1 地图匹配主程序流程 1)从位置数据存储器中取出当前估算点和前面匹配点的坐标和 时间（x，ｙ，ｚ，Ｔ）。 2)计算出两点之间的运行轨迹。 3)通过拟合函数对误差进行修正，得到正确的距离和角度即运 行轨迹。拟合函数的拟合系数是由前面的匹配得到。
3 设计原理
(1) 组合匹配算法原理 在对算法进行详尽的描述之前，我们先对算法的基本框 架和原理作一些解释。基准数据库包括两部分:一是组成地物 轮廓线的点数据；二是由节点和线组成的网状数据。估算点 和其对应修正点的坐标和时间分别存储在这些数据库中。 只要没有超出某一地物区域（如双线墙的边界线），则 人每走一步的估算位置按其实际坐标投影在地图上，也就是 将估算点重新定位在由地物轮廓线组成的面上而不是由节
1 概述
在 GPS 信号因遮挡而丢失的情况下，其定位误差将增 大，甚至可能出现不能定位的情况，这就需要建立完善的定 位算法来覆盖这些地区，对人的行动进行高精度的跟踪，使 用加速陀螺传感器配合 GPS 接收器的个人定位系统已经发 展成一种成熟的定位方法。但是，定位误差的积累却是不可 避免的。车载 GPS 地图匹配算法中是假设用户一直在与地图 相对应的道路上行驶的前提下，不断修改用户位置的估计 值，因此此匹配算法远远不能满足个人定位系统的定位要 求。因为从步伐大小和行走的方向中得到的数据远没有从车 轮中得到的速度和方向准确。另外，在车载 GPS 的匹配算法 中假定汽车总是行驶在路上，允许系统不断修正汽车的估计 数据，使之与数据库中的由点线组成的道路相一致。而个人 的运动却是复杂的，个人运动很难达到总是在道路的中心行 走，或者以固定的速度行驶。例如，从道路的这一边到那一 边；垂直方向如爬山，上楼梯等。为了解决这一问题，本文 提出了一种组合地图匹配算法，此算法使用三维数据库，把 运动的区域（道路，山，楼梯等）作为一多边形来看待，能 够很好地解决个人运动的不确定性，包括平面和垂直运动。
6）如果角度<900，则把此角和阈值相比较。若夹角小于阈值则 把路径绕最近拐弯点转过此角度；若大于阈值，则把估计值定位到 距离轮廓线 30cm 的地方继续向前进行匹配。
7）修正路径上所有点的坐标和时间一并存储。 8）记录下修正前后的距离和角度的比率，计算出距离和角度的 修改系数并存储。
局部修正匹配算法流程如图 2 所示。
参考文献
2）根据节点和边计算出当前拐弯点和前面节点的距离。 3）在距交点的距离<阈值的范围内找到最符合的节点，否则退 出匹配过程。 4）在所有与此节点有连接的边中，找到形成此角度的最短的边。 5）从此节点起改变路径的形状，使以后的运行轨迹以最近似的 角度使之与估算位置相拟合。
5 结论
对于以上介绍的算法，主要用于在三维空间中对个人运 动的跟踪。通过对个人定位系统中模拟数据的真值和误差的 分析，表明此组合算法不仅适用于三维空间的定位，而且极 大地提高了个人的定位精度。
2）计算路径上每一步的角度，并且和阈值作比较，得出最近的 拐弯点并计算出此拐弯点的坐标和时间。
3）在路径与地物相交的轮廓线上判断交叉点的附近有没有其他 地物的入口。
4）如果存在与其他地物的交叉点，则把与轮廓线的交叉点定位 在其他地物的入口点。
5）如果拐弯点的附近没有其他地物的入口，则计算路径和轮廓 线的角度。如果拐角≥900，则把地物轮廓线绕最近的拐弯点旋转 1800，得出夹角。
4)从数据库中取出估算点附近的地物数据。 5)判断轨迹是否穿过其地物轮廓线，如果穿出了则转到局部匹 配算法。如果没有越过轮廓线，则把估算位置的坐标和时间作为修 正点的坐标和时间存储。 6)把当前位置的修正值存入位置数据库中。
主程序流程如图 1 所示。 （2）局部修正匹配算法流程
1）判断轨迹和轮廓线的交点是否位于另一地物的入口，如果正 好位于另一地物的入口，则把估算位置和时间作为修正位置和时间 存入数据库。如果交叉点没有位于两地物的边界，则把整条路径从 最近的拐弯点开始计算。
2 个ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ定位系统的匹配算法及其研究发展
在提出算法之前，我们先回顾一下目前通用的地图匹配 算法并指出存在的问题以及发展。从大的方面划分，目前通 用的算法主要分为两类：一类方法是根据个人运动过程中经 过的明显特征点（例如出现拐弯）进行的匹配。也就是说， 当个人的运动中出现明显特征点时，根据电子地图中对应的 地物网格的相似性和映射关系，决定人最可能走在哪一条道
（山东大学计算机学院，济南 250061）
摘 要：虽然车载导航定位系统已经比较成熟，但汽车却一直行驶在道路上，其算法也是依据行驶的距离和方位就能很好地匹配，而人的 运动却复杂得多，因为人的运动包括水平面的运动和垂直方向的运动，也就是说匹配应该是三维匹配，所以匹配算法应包括两个方面：一 是依据所走路线的改变而进行的匹配（平面匹配）；二是沿地物轮廓线的螺旋上升而进行的匹配（高程匹配）。该文综合了平面与垂直两个 方向运动，提出了一种在三维空间中对人的运动进行高精确度跟踪的匹配算法。 关键词：地图匹配；定位；三维空间；陀螺传感器
Method of Map Matching for Personal Positioning System
GUAN Suqing, LIU Jie, YIN Jianghui
(Computer College of Shandong University, Jinan 250061)
【Abstract】While it has already been in practical use for car navigation systems, its simple based on distance and direction estimation is not sufficient for tracking of man’s complicated movement. In addition, matching should be done for three-dimension maps because human movement consists of both vertical and horizontal motion. The algorithm proposed in this paper combines two of the current algorithms, one of which is based on matching one’s shift patterns with shapes of road network, and the other is for a frequent step-by-step adjustment of one’s estimated position against outlines of objects around it. Using this integrating algorithm ,the paper proposes a new map matching method which give goods performance in terms of accuracy of positioning system for human movement in 3D space. 【Key words】Map matching; Positioning; 3D-space; Gyrocompass
第 31 卷 第 10 期 Vol.31 № 10
计算机工程 Computer Engineering
·工程应用技术与实现·
文章编号：1000—3428(2005)10—0206—03 文献标识码：A
个人定位系统的地图匹配方法
2005 年 5 月 May 2005
中图分类号：TP302.1
管素清，刘 捷，尹江会
记录数据
将路径旋转 180 度得夹角
结束
此角度小于阈值？
把此交点移动到距离轮廓线 一定距离处重新定位
将路径绕最近拐弯点 旋转此角度
修正整条路径上的所有点坐标 及时间（x,y,z,T）
计算出距离及角度的 修正系数并存储
结束
图 2 局部修正子程序
（3）全局修正匹配算法
—207—
1）从数据库中取出此拐弯点附近一定范围内的所有节点和边。
路的哪一侧。匹配的一般思路是“在拐弯处拐弯”。但这是 没有规律的事件，经常会出现到交叉路口不拐弯的情况，由 于匹配的过程是按一定的时间间隔进行的，所以不拐弯的情 况会带来误差的积累。另一种算法是实时计算估算点到与其 对应的地图匹配点的距离，保证了在人离开匹配道路一定距 离范围内，能够对估算点进行重新定位从而找到正确的匹配 点。虽然这种方法有效地避免了由于误差的积累所造成的错 误匹配，但是此算法设计思想的前提是，假定匹配边是正确 的，匹配过程中只对估算点进行修正而不能对匹配边修正， 一旦错误地选择了某一条匹配轮廓线，则错误的匹配将一直 延续下去。大量的跑车实验和模拟实验发现这种错误的匹配 开始往往出现在道路交叉口。总之，这两种方法都是各有优 势与缺点。于是，在这两种通用算法的基础上，我们提出综 合这两种算法的地图匹配算法。
局部修正
个人运动轨迹与轮廓线交点 是另一地物“入口”？
计算最近拐弯点到此交点的 整条路径数据
保存路径数据 结束
对周围的一定区域范围内的 拐弯点进行检查
拐弯点的附近有无其他 地物的“入口？”
计算出运动路径到 第五轮廓线的角度
此角度小于 90 度？
把交点重新定位在 “入口”处
修正运行的前段路径把此段路径的 结束点定位在另一地物的“入口”，
1 Miyata T, Furusawa K, Thukamoto K. A Method of Map Matching for Automotive NavigationT. IEE Japan, 1991,111-C(10): 83-89
2 Miyata T, Kimura Y, Thukamoto K. A Method of Map Matching Using A Low Precision Angular Sensor. Research Report: Faculty of Engineering of Lbaraki University, 1994, 42:109-115
循环使用局部修正算法，如果运动轨迹拐弯角度大于某 一阈值，则对角度变化前后之间轨迹上的所有点进行全局修 正。使用全局修正算法能够将运行轨迹按转弯角度正确地拟 合到匹配道路上 。当然全局修正算法使用的是网状数据库。
(2) 局部修正匹配算法 当人的运行轨迹与地物轮廓线出现交叉点时，根据轨迹 和轮廓线组成的角度来对估算点进行重新定位。如果角度小 于阈值则认为错误的定位是由于速度陀螺仪的漂移误差引 起的，修正方法以前一拐弯点为中心按比例旋转当前位置点 到正确的方向；如果角度大于阈值，一般是因为距离误差使 得运行轨迹与地物轮廓线相交，解决方法是调整轨迹的长 度，对当前位置重新定位。 (3) 全局修正匹配算法 使用同一方向的数据过程中，如果在短距离内突然出现 大幅度的匹配角度变化，则匹配算法应该从局部修正算法转 到全局匹配算法。在交叉点的附近（可以设置一定的阈值半 径），按照变化的角度在网格数据库中查找拐弯点或者曲弧， 判断出用户最可能在哪一条道路的哪一侧运行，根据对应的 匹配形状修正轨迹的长度和角度。
作者简介：管素清(1971—) ，女，硕士生，主研方向：图形学，GPS 等；刘 捷，教授；尹江会，硕士生
定稿日期：2004-05-01 E-mail：guansuqing@tom.com
—206—
点和线组成的网格上。当运动轨迹和地物轮廓线出现交叉点 时，采用局部修正算法把此交叉点和前一交叉点之间的所有 点位置局部修正到正确的地形上。这是一种不断修正的方 法，边修正边实时地记录位置。