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车辆导航定位的三大重要技术
发布时间:2006-12-29    双击自动滚屏

 
目前车辆导航定位的三大重要技术是全球定位系统(Global Position System – GPS)、航位推算(Dead Reckoning –DR )以及地图匹配(Map Matching – MM)。
  目前由于受GPS定位精度的影响,而且在城市路段复杂的情况下,往往会出现高楼和高架桥阻挡接收机的信号,使GPS定位信息有较大的偏差甚至失去信号,单纯用GPS定位很难得到满意的定位效果。一般来说,当SA政策打开时候,GPS可以达到10M的定位精度,否则民用定位精度是100M。航位推算可以实现车辆的自主导航,但是它需要车辆初始位置的输入,并且惯性器件的漂移误差和标定误差将使累计误差随时间而增大。而地图匹配这一软件纠错技术恰恰避免了以上两种定位技术无法克服的局限性。地图匹配是一种通过软件技术和计算方法,校正GPS定位或者航位推算定位误差的技术,因而能够极大地提供车辆的定位精度,减少定位误差。
  地图匹配,顾名思义,指的是两者的匹配,就是GPS和电子地图的匹配。由于受各种制作电子地图的方法和输入原始地图陈旧等的影响,特别是在我们国家,没有统一的规范的电子地图数据标准,因而造成电子地图也带来误差,甚至误差也比较大。这就不难想象现在很多技术用来提高这两者的精度,比如差分GPS技术和数据校正。地图匹配除了能将这两者匹配起来之外,它还可以满足一些终端用户的需要,比如说终端用户要求定位信息还能满足交通规则的要求,如车辆在我们国家应该是靠右行驶,某些路段只是单行道等。
  地图匹配根据其匹配目的的不同,可将其分为道路匹配和非道路匹配。道路匹配是将GPS定位信息匹配到地理信息系统中的道路上,而非道路匹配是建立在道路匹配的基础上,是指车辆进入加油站、停车场或者其他地方作短暂的旅行,偏离道路时候的匹配。为了使用道路匹配更加有效,我们在进行匹配之前首先提出两个前提:(一)、车辆总是行驶在路上;(二)、使用电子地图的精度要远大于GPS定位精度。对于这二个条件总是满足的,否则匹配结果会难以让人想象。事实上,在正常的交通情况下,和飞机导航与海洋运输不同,公路运输车辆局限于有限的公路网络系统,仅仅是进入停车场、或其他的短暂旅行,如加油站,因而条件一是可以满足的。条件二可以通过使用高精度的电子地图数据库来实现。很明显,用于该模块的数字地图必须相对准确,否则,系统将产生错误的位置输出,这种错误输出会严重降低系统的性能。因而数字地图允许的误差范围为15m(真实地面距离)。
  道路匹配问题形式化描述为:车辆按照有限路网R行驶,在有限时刻(0,1…t…T)的GPS定位输出为,实际位置为 ,则匹配的目标为确定R中包含 的道路及 。为了便于分析问题,将实际地图路网的每条道路分段线性化直线段。这样道路A可以由各直线段的节点表示为(),其中节点,为二维实平面上的点,为端点,对应于道路交叉点,等为形状点,描述道路形状。这样我们就可以将屏幕上显示的道路信息分为点和线段了。
  目前主要有四种办法在研究路径匹配问题。70年代,两个美国研究小组和一个英国研究小组分别独立发明了早期的常规路径匹配算法。这种半确定算法已发展为一种概率统计推理方法。实际上,由于道路环境复杂,而且多方面误差的存在,这些算法很难精确区分车辆一定行驶在那个街道上,即使后来人们提出了很多修正措施。确切地说,系统可能得出如下结论,车辆“很可能”在某一道路上,“不可能”在其他某些道路上,而且都不是完全的。如果要求一个精确定位导航系统,这种模糊性是需要解决的。后来人们提出了基于模糊逻辑的路径匹配算法。这种算法进而提出了一些规则来约束道路匹配的精确性。这种以模糊逻辑为基础的算法具有许多优点,现正在迅速发展之中。除了以上两种算法之外,日本等国家提出了模式识别方法。路径匹配基本上可以说是一种模式识别,因而可以利用神经网络的有关理论。也有学者利用地图识别和图形识别的方法来研究路径匹配,因为在地图上,不同的几何特征有不同的颜色标示,比如一般来讲,道路是白色的,研究目标是将GPS定位到最近的白色道路上。
  这里主要介绍一种基于可信度推理的模糊逻辑的路径匹配算法。这种首先提出了一些规则来约束道路匹配的精确性,然后再进行道路匹配算法,这就是模糊逻辑的基础。
  本算法将道路匹配的可信度分为五级,即A、B、C、D、E,分别代表完全可信、多数可信、部分可信、怀疑、不信任。整个算法分为前处理、匹配过程和后处理。
(一)数据前处理部分:
规则一:静态漂移数据不进行道路匹配。
当GPS接收数据显示瞬时速度极小(如小于1km/h)的时候,为了防止严重的静态漂移现象的发生,这部分数据不得进行道路匹配处理。目前采用的方法是当作停车处理。
规则二:奇异点数据不进行道路匹配。
GPS信号的误差分布与卫星颗数以及卫星分布状态都有很大关系。若遇见有高楼阻挡及其他干扰较大的情况下,很可能会出现所谓的跳点。为防止出现错误的道路匹配现象,对接收GPS数据进行原始滤波预处理,目前采用的滤波方法是某一点与上一点的两点平均速度不得超过最大行驶速度(如定义为200km/h),否则可以将它滤除。滤除的方法采用抛弃该点的接收值。
(二)匹配过程部分:
规则三:道路匹配采用点到线的匹配方法。对于距离的定义服从可信度原则。
对匹配距离L的定义分别是最短的点到线的距离,并且根据该值的大小,定义可信度。
若L≤10,则可信度为B。若10<L≤20,则可信度为C。若20<L≤40,则可信度为D。若L≥40,则可信度为E。
规则四:通过连通性检验,则该匹配可信度上升一级,否则可信度下降一级。
一般来讲,两条线段如果有公共节点,我们就说这两条线段是连通的,否则便是非连通。若是行走路段的后继路段,则认为是连通的;若在道路交叉口出现的下一路段与行走路段具有公共节点,则认为是连通的。
若是选择了距离不是最短的路径作为匹配点,则可信度下降为E。
规则五:前后具有相关性,则该匹配的可信度上升一级,否则可信度下降一级。
前后具有相关性即指前后点的相对距离在允许范围内(比如100米),没有速度异常。
规则六:根据可信度级别,确定下次匹配原则。
若是连续多次(如五次)可信度为A,则可以只进行与该路段的匹配,直到接近道路交叉口(如距离道路交叉口100m),或者可信度为非A。如果连续多次(如三次)可信度级别小于C,则出现新路段可能性增大,或者地图精度比较差,则重新进行匹配。
(三)后处理部分
规则七:对于信号丢失处理,采用进行航位推算和线性插值的数据补偿。
道路匹配算法应该1秒种进行一次,对速度异常的点或者期望时间内没有接收到信号,应该进行航位推算和线性插值的数据补偿,在当前行使方向上用线性插值预测的方法,直到接收到正确的GPS数据点为止。
线性插值所用的公式:
(4-3)
(4-4)
  这里gx(n),gy(n)是指预测点的坐标值,v(n-1)是指根据上面的记录得到的瞬时速度,d(n-1)是指上一点行驶方向。采用这种方法能较好的解决问题,但是对于拐角处的奇异点可能会造成按原方向的插值不正确。所以插值补偿了若干点后(如三点),GPS数据仍然在很远的地方移动,且前后具有相关性,则停止线性插值滤波,将当前的GPS数据作为正确的数据正常处理。
 

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