基于GPS/DR的车辆定位系统设计与实现

赵 鹏，张士柱，汪 静

(湖北省测绘工程院，湖北武汉430074)

基于GPS/DR的车辆定位系统设计与实现

赵 鹏，张士柱，汪 静

(湖北省测绘工程院，湖北武汉430074)

在介绍了目前存在的车辆定位技术的基础上，提出了一种基于GPS/DR定位技术的车辆定位系统的设计框架，详细描述了框架内各个部分的功能和实现细节；并基于该框架开发了一个简单的系统，其具备车辆定位系统的基本功能。实际应用效果表明该系统是合理的，具有一定的实用价值。

车辆定位；地理信息系统；全球定位系统

车辆定位系统是集中应用车辆定位技术、GIS与数据库技术、计算机技术和现代通信技术的高科技综合系统，从而实现车辆的无线通信、定位、路线设计、路径引导、信息服务等功能[1]。自动车辆定位功能是在车辆出行时以图形方式显示在电子地图背景中，可以实时实地提供时间、经纬度、运行方向和速度等信息，准确、及时地确定出车辆当前的位置。通常车辆定位与导航系统由多个主要功能模块组成，通过预定格式存储的数字化导航地图的形式为系统提供地理位置、道路交通、坐标方位、基础设施等信息。定位模块通过专门的定位传感器和数据处理工具快速计算，得出车辆位置数据，使系统能够自动辨别车辆的行驶路段。

1 车辆定位技术

目前常用的车辆定位技术有：

1）地图匹配。利用车辆的行驶路线同道路网络的图形相关，使用算法将实际定位数据映射到直观的数字地图上，它通常与其他技术匹配，利用数字道路地图修正车辆的定位误差，及时协调车辆的位置。这种方法需要严格制作的数字地图。定位精度取决于数字地图的要素数量及精度[2]。

2）航位推算 (DR)定位。推算定位技术是根据测量到的车辆位移和航向进行定位的技术。它通过电子罗盘、陀螺仪、里程表、轮胎脉冲传感器等传感器传来的信号推算出车辆的行驶距离、速度及行驶方向。在短时间内，这种方法定位精度较高，且定位快速，不受外部环境的影响和干扰，但时间长了会产生累积误差。

3）GPS定位。它由空间导航卫星、地面工作站和用户接收机组成。可以在全球范围内全天候地为各类用户提供高精度三维位置、三维速度和时间信息[3]。

在系统中车辆的定位综合使用了以上3种定位技术。

2 基于GPS/DR的车辆定位系统设计

2.1 需求分析

车辆定位系统需要存取的信息至少包括电子地图信息、车辆位置信息和与车辆相关的信息。电子地图信息通常是由地理信息系统来管理；车辆位置信息来自于GPS和DR传感器数据。系统的功能就由存取数据、分析处理数据以及数据的展示等功能组成，具体的系统功能如下：

1）查车功能：通过客户端软件、登陆网站，配以专业正版地图，随时随地查看车辆当前所在的位置信息。

2)历史轨迹回放：可以回放任一时间段的行程及这个时间段的任何时刻的状态包括：时间、地点和速度。

3）地图操作：地图可以无级放大，操作方式可以采用点击入大一倍、在地图上选取一定区域放大至整个窗口显示、放大至特定比例尺等。地图可以无级缩小，操作方式可以采用点击地图缩小一倍、选取一矩形区域后将当前窗口显示区域缩小显示在矩形范围、缩小至特定比例尺等。

4）数据报表统计:客户端软件支持行驶分析、里程分析、车速分析等各种数据报表，以数字的方式准确掌握车辆运行状况。

5）车辆资料的添加、修改、删除、打印,记录了车辆的基本资料。

6）系统用户的添加、修改、删除,出于安全考虑，规定只有系统中存在的用户才能对系统中的车辆进行监控；只有当用户拥有对特定车辆的访问权限时才能对该车辆进行操作；同时只有用户拥有某一操作权限的时候才能进行这一操作。数据库管理模块提供了添加、删除用户以及设置用户访问权限和操作权限的工具。

2.2 系统总体设计框架

依据需求分析，系统主要分成2个部分，一部分是数据的获取和存储，另一部分是对存储数据进行分析和处理，数据主要是在浏览器和客户端软件界面上显示，系统框架如图1所示。

图1 系统框架图

3 系统的实现

3.1 车辆定位方法

GPS由于具有高精度、全天候、高效率的优点成为了现在最为广泛使用的定位技术，但也存在多路径效应、信号遮挡、信号丢失和弱观测环境等缺点，这些缺点会造成GPS定位精度的下降甚至无法工作。DR定位的特点是定位快速，且不受外部环境的影响和干扰，但缺点是时间长了会产生累积误差。当GPS信号丢失而无法定位时，DR系统可继续定位输出，而GPS和 DR的信息融合不仅可以提高定位的精度，而且可以消除DR的误差累积问题，两者优势互补[4]。采用联合卡尔曼滤波以实现GPS/DR组合系统的滤波与信息融合,通过GPS/DR信息融合计算出车辆的位置，然后通过地图匹配算法将车辆位置投影到地图上的准确位置。通过将车辆位置信息保存到数据库，来实现车辆历史轨迹回放。

3.2 电子地图操作

ArcGIS Engine组件库中的组件提供了数据存取、地图表示、开发组件等功能，使用ArcGISEngine开发组件ToolbarControl很容易实现打开地图、地图的漫游和缩放、在地图上识别要素、在地图上查询要素等操作。

3.3 车辆信息操作

将车辆信息存入sqlserver数据库，通过Web界面提供的数据库，操作人员使用 sql语句实现添加、删除、修改车辆信息等操作。

4 系统应用实例

利用采集GSP和DR传感器的真实数据，通过系统界面展示系统的效果。

1）通过GPS/DR信息融合计算出车辆的位置[5，6]，然后通过地图匹配算法将车辆位置投影到地图上的准确位置。从图2可以看出车辆的地理位置以及车牌号、车速等信息；在左边的面板通过查询条件可以只显示满足查询条件的车辆在地图上的位置；车辆统计显示车辆的里程和车速；车辆运行状态显示被选定车辆的具体信息。

图2 车辆实时监控界面

图3 网上查车

2）如图3所示，被授权的用户可以随时在网上查询车辆，被查询的车辆在地图上显示车辆的位置等相关信息。

3）如图4所示，用户可以任意选择某车辆的行车时间段来查看这一时间段车辆行驶的轨迹，这样就便于用户了解车辆曾经行驶的路程等相关信息。

图4 历史轨迹回放

5 结语

本文设计并实现了一种车辆定位系统，该系统具备车辆定位系统的基本功能，在这些基本功能的基础上可以较容易地扩展其他功能，如我们只要保存车辆更多的信息，系统就可以向用户展示更具体的车辆位置以及行驶状况等信息。

目前，系统的功能尚不齐全，人机交互部分尚存在一些不足，今后还需要进一步调研用户的需求，对系统进行更详细的设计，不断完善系统的功能，提高系统的可操作性、易用性。

[1] 朱留军.车辆导航系统中GPS/DR/MM组合定位技术的研究[D].阜新：辽宁工程技术大学,2009

[2] 柳林,李万武,王志余,等.实时高精度地图匹配技术的研究与实现[J].测绘科学,2010,25(5):51-53

[3] 张文乾.基于GPS/DR和GSM的车辆定位导航系统设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2009

[4] 马海波,李少杰,黄跃峰,等.车载导航系统的高精度定位算法[J].地理信息世界,2010（01）:48-55

[5] 李功权,肖周林.整合GIS和GPS的车辆定位方法实践研究[J].长江大学学报：自然科学版,2010,7(3):83-85

[6] 牛立,王景中.GPS导航数据提取的设计与研究[J].微型机与应用,2010,29(20):1-4

[7] Prakasam S and Wang A.Implementing Vehicle Location System For Public Buses in Singapore[J].Journal of Institute of Engineers,2004,44(2):103-110

Design and Implementation of Vehicle Location System Based on GPS/DR

by ZHAO Peng

At first,we introduced several existing vehicle location technologies,and then proposed an implementation framework of vehicle location system based on GPS/DR.We described the functions and implementation details of all parts in the framework in detail.Based on this framework we had developed a simple system,which had the basic functions of the vehicle positioning system.Practical application results show that our design is reasonable and our system has some practical value.

vehicle location，Geographic Information System，Global Positioning System

2011-12-21

P228.4

B

1672-4623(2012)06-0101-02

赵鹏，研究方向为GIS应用。