车载系统中综合地图匹配算法研究

1、基于地图匹配的高精度GPS自主车辆导航系统的实现 来源：测控技术 1999 作者： 发表时间：2010-06-22 16:54:42 摘要：概述了高精度GPS自主车辆导航系统的主要实现方案。针对自主车辆导航系统对低成本的要求，给出了基于地图匹配的高精度GPS自主车辆导航系统的实现，详细论述了该系统的地图匹配算法、软件流程及硬件设计，最后给出了该系统的实际路试结果。关键词：全球定位系统，自主导航，地图匹配Implementation of High-precision GPS Autonomous NavigationSystem Based on Map-matching for Vehicl

2、eAbstract：The dominant systematic design themes of high-precision GPS autonomous navigation system for vehicle are briefly discussed. In order to decrease the cost of autonomous navigation system for vehicle, the implementation of high-precision GPS autonomous car navigation system based on map-matc

3、hing is presented.The core arithmetic of map-matching, relevant flowchart for software and hardware design, are described in detail. Finally the results of the field road-test are given.Key words：GPS,autonomous navigation,map-matching1GPS自主车辆导航系统 建立智能交通管理系统(ITS，可以合理地利用现有道路交通，有效调整需求，充分发挥道路交通的潜能，提高道路通

4、行能力，改善服务水平，有效地解决交通拥挤的现象。作为ITS系统的关键自主车辆导航系统在引入GPS技术之后，发展迅速。由于目前GPS的民用标准定位服务(SPS仅仅提供100 m的定位精度(当选择可用性SA打开时，为了提高GPS自主车辆导航系统的定位精度，出现了多种基于GPS技术的高精度自主车辆导航系统解决方案。这些实现方案的核心技术主要有：差分GPS技术、DR(dead reckoning航位推算技术和地图匹配技术。差分GPS技术通过引入差分修正信息，补偿由于SA造成的定位误差，该技术需要建立GPS差分基准站及相应的数据链路。航位推算技术是一种古老的导航技术，它主要借助于辅助的航向传感器和里程计

5、，完成定位推算。地图匹配导航主要的依据是车辆行驶的道路约束前提，在地图精度有保证的前提下，地图匹配算法可以大大改善GPS自主车辆导航系统的定位精度。由于差分GPS技术所需费用较高，因此在车辆导航等要求低成本的应用中较少采用。所以，高精度GPS自主车辆导航系统主要采用图1所示的实现方案。图1高精度GPS自主车导系统主要实现方案美国政府在1996年3月29日由克林顿总统发表的GPS政策指令中许诺将在10年内取消SA。而由美国国家通讯及信息管理局(NTIA和联邦通讯委员会(FCC牵头提出的GPS现代化计划中，将增补民用码载波LC，并提高GPS广播星历的精度，强化GPS系统的民用定位性能。因此，可以预

6、见纯GPS导航定位系统的定位精度及其可用性将大大提高，这为基于地图匹配的高精度低成本纯GPS自主车辆导航系统的使用奠定了基础。2基于地图匹配的高精度GPS自主车辆导航系统实现2.1高精度GPS自主车导系统地图匹配算法地图匹配可以简单地描述为：在车辆被约束在道路上的前提下，将车辆的GPS导航定位输出(误差较大匹配到最邻近的道路上的相应点(误差较小的过程。经典的地图匹配算法主要有：点到点的匹配、点到弧段的匹配、弧段到弧段的匹配(仅使用地图路网的几何特征和点到弧段的匹配、弧段到弧段的匹配(利用路网的几何和拓扑特征13。这些方法，或者较为简单而无法实际使用，或者计算量较大而无法实时进行。下文给出作者已

7、完成的基于地图匹配的高精度纯GPS自主车导系统所采用的利用历史定位信息及航向信息的实时地图匹配算法。首先，将地图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的GPS定位输出为Pt，实际位置为Ptp，则匹配的目标为确定R中包含Ptp的道路及Ptp。将实际地图路网的每条道路分段线性化为直线段。这样，道路A可以由各直线段的节点表示为(A0,A1,Ana，其中节点AmR2，为二维实平面上的点，A0,Ana为端点，对应于道路交叉点，A1,Ana-1为形状点，描述道路形状。最佳匹配准则采用二维欧氏距离：2=X-Y2=(x1-y12+(x2-y22(1其中：X,Y为二维平面上的任意点，

8、x1,x2和y1,y2分别为点X,Y的二维坐标。参数化道路A为：a：0，1A(2弧段A到弧段B的距离定义为：A-B2=10a(t-b(tdt(3其中：a(t,b(t分别为弧段A及弧段B的参数化描述。据此，图2(A，B，C，D，E为实际路网分段线性化结果，P0，P1，P2，P3为历史定位数据所示的匹配结果为A。图2历史定位信息弧段匹配示例(航向辅助在采用(3式计算备选道路弧段与历史定位信息构成的弧段距离前，首先进行航向门限过滤，因此道路E被首先滤除，从而大大减少了计算量。另外，需在备选道路弧段上根据历史定位信息确定等价距离点。基于历史定位数据和航向信息的上述地图匹配算法的实际软件流程如图3所示。

9、图3基于历史定位数据及航向信息的地图匹配算法软件处理流程在算法的实际应用中，还采用了以下手段加快计算速度并提高算法的鲁棒性： 确定200 m为半径的备选路网匹配区域； 连续3 s航向滤波； 车辆低速(8 km/h时，停止地图匹配算法，而采用软件递推； 原始GPS导航定位输出进行滑动窗口滤波； 初始位置匹配缓冲带宽60 m。2.2基于地图匹配的高精度GPS自主车辆导航系统硬件设计考虑到车载设备的工作环境，整个系统的硬件设计全部采用固体器件。系统硬件核心部分为Intel486级最小系统。CPU采用486DX2-66芯片，8MBytes系统RAM(其中2MBytes为显示缓存，4MBytes Fla

10、sh RAM电子盘(其中北京市区电子地图占1.9Mbytes含北京市区全部路网数据及3 500个地物信息，系统文件1MBytes，剩余空间1.1MBytes可以实时记录6 h数据,数据率1 Hz。系统显示采用6.4英寸TFT-LCD液晶显示板，分辨力为640480像素。液晶显示驱动采用Chips 65540芯片。系统共有3个外部接口。两个RS232口分别用于GPS OEM板NMEA-0183格式导航数据接收及RTCM 104差分GPS修正扩展。考虑到车载使用的方便，剩下的接口用于红外遥控接收。2.3实际路试路试采用的北京市区电子地图比例尺为120000，经差分GPS验证,其制图精度15 m。实

11、际路试选用抗遮挡、具有快速再捕获能力的GPS OEM板。图4为一次实际路试数据实时地图匹配结果。路试时间为1998年6月8日，下午440526，地点在广安门附近。图4实际路试实时地图匹配结果3结论对大量的实际路试(在北京市区共进行了将近1 000 km路试结果分析表明： 96%以上的定位结果得到准确的匹配，匹配后的GPS定位精度得到极大的提高； 整个匹配算法完全实现实时，数据率1 Hz； 在路试周围环境存在较严重的建筑物及立交桥遮挡时，整个系统工作正常； 未正确匹配的定位点，主要发生在低速(8 km/h及车辆由立交桥上、下桥换道时。车辆低速行驶时，地图匹配结果不很理想的原因主要是，此时GPS给出的航向信息精度较差。为解决这个问题，可以通过引入辅助航向传感器得到改善，如用前轮差动航向计算或集成化磁航向传感器。由于辅助航向传感器仅用于低速、低动态行驶时航向的测量，因此可使用低成本的传感器。车辆由立交桥上、下桥换道时，路线匹配不好的原因是：电子地图中简化了立交桥的表示，并且没有提供相应的拓扑连通关系