多传感器集成定位技术在汽车导航中的应用
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摘要
自主式导航系统是智能交通系统的一个重要组成部分，这一智能系统不仅能实现安全、通畅的驾驶，缓解和避免交通堵塞，而且能使车辆的移动和使用变得更加方便，促进了汽车消费和使用环境的完善。
近年来微电子技术的发展使得GPS接收机的价格大幅度下降，大大促进了GPS在民用领域的发展，尤其在车辆导航领域，它己经成为GPS应用领域最大的一个产业。装载GPS导航系统的车辆，大部分行驶在市区中，因此，GPS定位系统的工作必然会受到市区特定环境的不良影响，甚至无法完成定位。因此，本文着重研究了GPS／DR组合导航系统，以实现连续、实时的定位导航，同时，为了向驾驶者提供近于无误差的定位结果，本文也研究了地图匹配方法。
本文首先介绍了车辆定位导航系统的发展，分析了GPS在车载导航中可采用的导航方式，研究了车辆导航中GPS系统的定位解算方法及系统的主要误差，分析了GPS定位结果的坐标转换。为了完成GPS导航子系统的软件设计，介绍了串口通信和GPS接收机数据输出格式的问题。
为了弥补GPS导航子系统的不足，本文介绍了航位推算系统的基本定位原理。硬件配置及其误差分析。在全面比较两种基本的GPS和DR数据融合方式优缺点的基础上，设计了基于切换方式的GPS／DR组合导航系统。
为了向用户提供近乎无误差的定位结果，本文分析了车载定位导航系统数字地图的数据组织方式，并且更深入地研究了道路网络层的数据编码，然后比较了两种最基本的匹配方法：基于投影的地图匹配方法和基于模式识别的地图匹配方法，并提出了一种改进的基于投影的地图匹配方法。
最后，论文最后对开发的“智能车载导航系统”进行了总结，并对以后自主导航系统开发工作的发展方向以及工作重点提出了具体的建议。
As one important part of the Intelligent Transportation System, Automatic Navigation System, can realize safe and unobstructed driving, ease and avoid traffic jam, make the mobility and operation more convenient, facilitate the consumption of vehicles and perfect the operating environment.
The huge reduction of GPS Receivers' price caused by the development of micro-electronics technique, greatly accelerates the development of GPS in the field of civil application, especially in vehicle navigation which has been the largest industry applying GPS. GPS Navigation System is mounted in the vehicles mostly driven in urban area, so unavoidably it is under the bad influence of the urban situation, and even can not realize the location. So this paper makes a study of GPS/DR Combined Navigation System so as to accomplish the continuous and timing location and navigation, and the method of map matching so as to provide users the locating results approximately without error.
This paper introduces the development of Vehicle Navigation Location System, analyzes the way of GPS' navigating the vehicles and the Coordinate Transformation of GPS locating results, studies the calculating method of GPS location applied to Vehicle Navigation. To accomplish the software design of GPS Navigation Subsystem, this paper also introduces the Serial Communication and the Data Output Formula of GPS Receiver.
To make up the GPS navigation subsystem, this paper introduces the basic locating principle, hardware requirements, and error analysis of the dead reckoning system; and designs the switch-based GPS/DR Combined Navigation System on the basis of the comprehensive comparison between the two methods of GPS and DR data fusion.
To provide users the locating results without any error, this paper analyzes the data organizing way of the digital map of Vehicle Navigation Location System, makes a special study of the data code on the level of roads, and brings forth the improved projection-based method of map matching after comparing the advantages and disadvantages of two basic matching methods: Projection-based map matching and Mode- recognition-based map matching.
This paper summarizes the Vehicle Multi-media Navigation Location System and brings forth several suggestions about the direction and emphasis of developing Automatic Navigation system.
近年来微电子技术的发展使得GPS接收机的价格大幅度下降，大大促进了GPS在民用领域的发展，尤其在车辆导航领域，它己经成为GPS应用领域最大的一个产业。装载GPS导航系统的车辆，大部分行驶在市区中，因此，GPS定位系统的工作必然会受到市区特定环境的不良影响，甚至无法完成定位。因此，本文着重研究了GPS／DR组合导航系统，以实现连续、实时的定位导航，同时，为了向驾驶者提供近于无误差的定位结果，本文也研究了地图匹配方法。
本文首先介绍了车辆定位导航系统的发展，分析了GPS在车载导航中可采用的导航方式，研究了车辆导航中GPS系统的定位解算方法及系统的主要误差，分析了GPS定位结果的坐标转换。为了完成GPS导航子系统的软件设计，介绍了串口通信和GPS接收机数据输出格式的问题。
为了弥补GPS导航子系统的不足，本文介绍了航位推算系统的基本定位原理。硬件配置及其误差分析。在全面比较两种基本的GPS和DR数据融合方式优缺点的基础上，设计了基于切换方式的GPS／DR组合导航系统。
为了向用户提供近乎无误差的定位结果，本文分析了车载定位导航系统数字地图的数据组织方式，并且更深入地研究了道路网络层的数据编码，然后比较了两种最基本的匹配方法：基于投影的地图匹配方法和基于模式识别的地图匹配方法，并提出了一种改进的基于投影的地图匹配方法。
最后，论文最后对开发的“智能车载导航系统”进行了总结，并对以后自主导航系统开发工作的发展方向以及工作重点提出了具体的建议。
As one important part of the Intelligent Transportation System, Automatic Navigation System, can realize safe and unobstructed driving, ease and avoid traffic jam, make the mobility and operation more convenient, facilitate the consumption of vehicles and perfect the operating environment.
The huge reduction of GPS Receivers' price caused by the development of micro-electronics technique, greatly accelerates the development of GPS in the field of civil application, especially in vehicle navigation which has been the largest industry applying GPS. GPS Navigation System is mounted in the vehicles mostly driven in urban area, so unavoidably it is under the bad influence of the urban situation, and even can not realize the location. So this paper makes a study of GPS/DR Combined Navigation System so as to accomplish the continuous and timing location and navigation, and the method of map matching so as to provide users the locating results approximately without error.
This paper introduces the development of Vehicle Navigation Location System, analyzes the way of GPS' navigating the vehicles and the Coordinate Transformation of GPS locating results, studies the calculating method of GPS location applied to Vehicle Navigation. To accomplish the software design of GPS Navigation Subsystem, this paper also introduces the Serial Communication and the Data Output Formula of GPS Receiver.
To make up the GPS navigation subsystem, this paper introduces the basic locating principle, hardware requirements, and error analysis of the dead reckoning system; and designs the switch-based GPS/DR Combined Navigation System on the basis of the comprehensive comparison between the two methods of GPS and DR data fusion.
To provide users the locating results without any error, this paper analyzes the data organizing way of the digital map of Vehicle Navigation Location System, makes a special study of the data code on the level of roads, and brings forth the improved projection-based method of map matching after comparing the advantages and disadvantages of two basic matching methods: Projection-based map matching and Mode- recognition-based map matching.
This paper summarizes the Vehicle Multi-media Navigation Location System and brings forth several suggestions about the direction and emphasis of developing Automatic Navigation system.
引文
1 刘基余．全球定位系统原理及其应用．1995，北京：测绘出版社
2 徐绍铨，张华海，杨志强，王泽民．2003，GPS测量原理及应用．武汉：武汉大学出版社
3 孔祥元，梅是义．控制测量学(下册)．2000，武汉：武汉测绘科技大学出版社
4 龚健雅．地理信息系统基础．2001，北京：科学出版社
5 胡鹏，黄杏元，华一新．地理信息系统教程．2001，武汉：武汉大学出版社
6 杨东凯，吴今培，张其善．2003，自动车辆定位系统在智能交通系统中的应用．北京：科学出版社
7 陈建春．Visual C++开发GIS系统—开发实例剖析．2000，北京：电子工业出版社
8 Kate Gregory著，前导工作室译．VC++6.0开始使用手册．1999，机械工业出版社
9 赵奕林(美)著．车辆定位与导航系统[M]．谭国真译．1999，北京：电子工业出版社
10 张飞舟，Basharat Mahmood Khawaja，范跃祖，孙先仿．GPS/INU/DM组合定位导航技术在ITS中的应用．2000．6，北京航空航天大学学报，Vol．26 No．3，P299-P302
11 关桂霞．车载GPS/DR组合导航系统研究．2001，华北工学院硕士学位论文
12 谢志颖．LBS系统中动态路径选择的理论与方法研究．2003，武汉大学博士学位论文
13 方珉，刘星荣．GPS技术、惯性导航技术和组合导航技术在汽车导航中的应用．2000．5，汽车技术，P1-P5．
14 王密，郭丙轩，雷霆，李德仁．车载GPS导航系统中GPS定位与道路匹配方法研究．2000．6，武汉测绘科技大学学报，Vol．25 No．3，P248-P256．
15 王密，郭丙轩，李德仁，龚健雅．多传感器与道路网数据用于汽车导航的研究．2001．3， 武汉大学学报(信息科学版)，Vol．26 No．3，P205-P208．
16 唐李征，申功勋，孙茳．基于地图匹配的高精度GPS自主车辆导航系统的实现．1999．7，测控技术，Vol．18 No．7，P24-P26．
17 赵会平．汽车导航系统．2001．2，测控技术，Vol．20 No．2，P3-P6．
18 中国智能交通 月刊
19 苏洁，周东方，岳春生．GPS车辆导航中的实时地图匹配算法．2001．8，测绘学报， Vol．30 N0．3，P252-P256
20 畅小江．自主式导航系统(Navi-Star2001)的设计与实现．2002，大连理工大学硕士学位论文
21 徐爱功，刘经南，王宏伟．车辆导航定位中地图匹配的MP模型．2000．10，辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，Vol．19 No．5，P497-P500．
22 李德仁，郭丙轩，王密，雷霆．基于GPS与GIS集成的车辆导航系统设计与实现．2000．6， 武汉测绘科技大学学报，Vol．25 No．3，P208-P211．
23 邓铭辉．基于GPS的车辆自主导航系统的研究．2002，哈尔滨工程大学硕士论文
24 张其善，吴今培，杨东凯．智能车辆定位与导航系统及应用．2002，北京：北京科学出版社
25 王解先，季善标，刘大杰．GPS伪距动态定位计算模型．1999．10，同济大学学报，Vol．27 No．5，
26 王楠，王勇峰，刘积仁．一个基于位置点匹配的地图匹配算法．1999．8，东北大学学报(自然科学版)，Vol．20 No．4，P344-P347．
27 柏钢，万德均，王庆．一种改进的地图匹配算法在车辆导航中的应用．1999．3，中国惯性学报，Vol．7 No．1，P34-P35．
28 张可．车辆导航系统关键技术研究．2001，北京工业大学博士论文
29 彭飞，柳重堪，张其善．基于代价函数的组合导航系统地图匹配算法．2002．6，北京航空航天大学学报，Vol．28 No．3，P261-P264．
30 陆化普．智能运输系统．2001．11，北京：北京人民交通出版社，
31 陆锋，周成虎．基于层次空间推理的交通网络行车最优路径算法．武汉测绘科技大学学报 2000．
32 谢利理．基于多尺度信息综合的快速地图匹配算法研究．2002，系统工程与电子技术，Vol．24 No．7，P95-P98．
33 余志文，邬永宏．浅谈智能交通中的电子地图．2002．6，海南师范学院学报(自然科学版)，Vol．15 No．2，P41-P46．
34 余涛平．掌上电脑/手机导航电子地图设计与实现．2003，武汉大学硕士学位论文
35 吴小强，李鹏，曲卫民．智能交通系统研究回顾与展望．2000．8，国外公路，Vol．20 No．4，P36-P40．
36 胡丛玮，陈武，赵志弘，李志林．基于GPS定位的导航地图的转换与纠正．2003．1，同济大学学报，Vol．31 No．1，P9-P14
37 许谷声，罗成平，王解先，汪孔政．建立适合于车载导航系统的电子地图．1999．4，测绘通报，P14-P16．
38 张小国，刘云，王庆，万德钧．用面向对象技术构造车载导航软件．导航，2000年6月第二期，P71-P79
39 陶鹏．MapInfo在基于GPS/GIS的车辆监控系统中的应用．2001，现代电子技术，No 3．P62-P64．
40 杜道生，陈军等．RS、GIS、GPS的集成与应用．1995，北京：测绘出版社
41 Kevin M.Mckey. Integrated Automatic Vehicle Location System. IEEE: PLANS'96
42 T.Ross and G.burnett. The Right Road to Take. June 1996, ITS:International
43 Duan Lingyu, Bao Yuanlu, Zhang Wangsheng. GPS Vehicle Navigation System. 1998.12, Transactions of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics. Vol.15 No.2
44 Kashai HR, Saridis GN. Intelligent for Urban Traffic System. 1983, Automatics.
45 Harvey J. Miller, Shih-Lung Shaw. Geographic Information Systems for Transportation---Principles and Applications. 2001, Oxford University Press, Inc
46 Goodchild, M.F. Geographic information systems and disaggregate transportation modeling. 1998, Geographical Systems.
47 http://www.esri.com/
48 http://www.its-china.net/
49 http://www.itsevent.com/
50 http://www.its.gov.cn/
51 http://www.autonavi.com
52 http://www.surveyingworld.net
53 http://www.mwtech.net/
54 http://www.opengis.org/techno
2 徐绍铨，张华海，杨志强，王泽民．2003，GPS测量原理及应用．武汉：武汉大学出版社
3 孔祥元，梅是义．控制测量学(下册)．2000，武汉：武汉测绘科技大学出版社
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5 胡鹏，黄杏元，华一新．地理信息系统教程．2001，武汉：武汉大学出版社
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14 王密，郭丙轩，雷霆，李德仁．车载GPS导航系统中GPS定位与道路匹配方法研究．2000．6，武汉测绘科技大学学报，Vol．25 No．3，P248-P256．
15 王密，郭丙轩，李德仁，龚健雅．多传感器与道路网数据用于汽车导航的研究．2001．3， 武汉大学学报(信息科学版)，Vol．26 No．3，P205-P208．
16 唐李征，申功勋，孙茳．基于地图匹配的高精度GPS自主车辆导航系统的实现．1999．7，测控技术，Vol．18 No．7，P24-P26．
17 赵会平．汽车导航系统．2001．2，测控技术，Vol．20 No．2，P3-P6．
18 中国智能交通 月刊
19 苏洁，周东方，岳春生．GPS车辆导航中的实时地图匹配算法．2001．8，测绘学报， Vol．30 N0．3，P252-P256
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21 徐爱功，刘经南，王宏伟．车辆导航定位中地图匹配的MP模型．2000．10，辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，Vol．19 No．5，P497-P500．
22 李德仁，郭丙轩，王密，雷霆．基于GPS与GIS集成的车辆导航系统设计与实现．2000．6， 武汉测绘科技大学学报，Vol．25 No．3，P208-P211．
23 邓铭辉．基于GPS的车辆自主导航系统的研究．2002，哈尔滨工程大学硕士论文
24 张其善，吴今培，杨东凯．智能车辆定位与导航系统及应用．2002，北京：北京科学出版社
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32 谢利理．基于多尺度信息综合的快速地图匹配算法研究．2002，系统工程与电子技术，Vol．24 No．7，P95-P98．
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35 吴小强，李鹏，曲卫民．智能交通系统研究回顾与展望．2000．8，国外公路，Vol．20 No．4，P36-P40．
36 胡丛玮，陈武，赵志弘，李志林．基于GPS定位的导航地图的转换与纠正．2003．1，同济大学学报，Vol．31 No．1，P9-P14
37 许谷声，罗成平，王解先，汪孔政．建立适合于车载导航系统的电子地图．1999．4，测绘通报，P14-P16．
38 张小国，刘云，王庆，万德钧．用面向对象技术构造车载导航软件．导航，2000年6月第二期，P71-P79
39 陶鹏．MapInfo在基于GPS/GIS的车辆监控系统中的应用．2001，现代电子技术，No 3．P62-P64．
40 杜道生，陈军等．RS、GIS、GPS的集成与应用．1995，北京：测绘出版社
41 Kevin M.Mckey. Integrated Automatic Vehicle Location System. IEEE: PLANS'96
42 T.Ross and G.burnett. The Right Road to Take. June 1996, ITS:International
43 Duan Lingyu, Bao Yuanlu, Zhang Wangsheng. GPS Vehicle Navigation System. 1998.12, Transactions of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics. Vol.15 No.2
44 Kashai HR, Saridis GN. Intelligent for Urban Traffic System. 1983, Automatics.
45 Harvey J. Miller, Shih-Lung Shaw. Geographic Information Systems for Transportation---Principles and Applications. 2001, Oxford University Press, Inc
46 Goodchild, M.F. Geographic information systems and disaggregate transportation modeling. 1998, Geographical Systems.
47 http://www.esri.com/
48 http://www.its-china.net/
49 http://www.itsevent.com/
50 http://www.its.gov.cn/
51 http://www.autonavi.com
52 http://www.surveyingworld.net
53 http://www.mwtech.net/
54 http://www.opengis.org/techno