车载GPS导航中综合定位的算法研究

2014-05-12李利功

山西电子技术 2014年2期

关键词：电子地图盲区卫星

李利功

(太原理工大学，山西太原030024)

应用单一的GPS导航定位手段，难以适应实际行车过程中复杂多变的交通情况，尤其在信号盲区，仅靠采用单纯的计算机软件算法，很难给车辆进行精确导航。为了解决这些问题，提出了综合定位的方法。

1 单一的GPS导航定位分析

1.1 单纯的计算机软件算法

在城市交通中，车载GPS导航系统作为行车的辅助工具，已经成为不可或缺的一部分。然而城市道路的通行状况瞬息万变，对于最短路径、最佳路径等问题的解决虽然已经有很多的方法，但在实际应用中仍然不够完备。而且目前的车载导航系统高度依赖于电子地图的数据量和详细程度，很难适应复杂多变的路况。例如虽然定位系统提示最佳线路，但道路上所处的学校正逢上学或放学，车辆拥堵很严重。这些实际存在的道路交通现象，给计算机软件的算法增加了很大的难度。

1.2 卫星信号盲区

由于GPS接收机必须保证至少有四颗卫星位于视距范围内，才能准确知道车辆的位置、速度、高度、运动方向等要素。因此在导航定位中，除了单纯软件算法的弊端外，当车辆在高架、隧道、立交桥、地下车库等地方时，天空的可见视野会被阻挡或是会被城市大建筑反射信号，就会导致严重的多径效应，在这些地区导航信号跳跃严重，车辆定位的位置严重偏差。所以在卫星信号盲区，仅依靠单一的GPS系统导航，车辆无法得到准确位置，GPS无法给出连续定位信息。这些问题的存在给车辆导航软件的设计带来许多难以克服的难题。

2 交通状况分析

2.1 随机性

现代交通网络中，交通状况瞬息变化，突然的交通肇事就有可能阻塞交通几个小时。另外，修路、灾害等意外因素也时刻影响着道路的通行状况。这类干扰一旦发生，对道路通行能力影响较大，有时甚至导致全路段阻塞并波及到相邻道路。这些事件均带有强烈的随机性。

2.2 长期性

车道宽度、车道数、上下班高峰时段、学校上学放学时段等，这些因素虽然对道路通行存在影响，但基本可以确定其通行的规律，是长期的特性。

2.3 卫星信号盲区

车辆在卫星信号的盲区，无法通过GPS获得定位信息。

3 综合定位技术

利用车载GPS现有的功能，以时间为触发点，突发事件优先等机制，将GPS定位技术与传统惯性导航技术、电子地图技术相结合，建立道路信息交互模型，利用移动对象数据库技术，对车辆的运动空间及时间进行分割，建立移动目标数据库的数据模型和数据结构，构建移动对象实时数据库。这些处理导航的方法和技术称之为综合定位算法。

3.1 惯性导航修正技术

传统惯性导航技术的理论已很成熟了，其优点是在短时间内有相当高的精度，而且能够在复杂的恶劣条件下，连续给出定位信号，从而实现了车辆的自主定位。但是，单独使用传统惯性导航技术，无法消除长时间测量带来的误差累计，当积累到一定程度后，数据将无法使用，这是传统惯性导航技术固有的缺点。

在一般情况下，GPS信号的盲区不会很大，即使在繁华大都市，连续卫星信号盲区直线不会超过5 km，如果使用综合定位技术，在卫星良好时，可以由GPS定位数据修正惯性导航带来的误差。由于GPS定位的误差通常在10 m左右，为了保证车辆定位的准确度，通常导航软件会结合电子地图数据技术进行处理，利用电子地图匹配技术，能够修正惯性导航的误差，这样即使车辆处在卫星信号盲区，也能够消除惯性导航带来的误差［1］。

3.2 建立道路信息交互导航模型

在现有的车辆导航模型中，车辆的导航依赖于已有的电子地图数据，但电子地图具有更新不及时，成本高，受控等特点，已经成为制约其发展的瓶颈。同时大多数车载GPS导航模型中，信息主要的流向是单向的，只有汽车的位置坐标传向信息中心，由信息中心来完成对汽车的监控工作。而在信息交互导航模型中，车载GPS与信息中心是相互合作、相互依存的关系，信息的流向是双向的［2］。

汽车把自己的位置坐标发送到信息中心，信息中心对车辆实时监控，信息累积存储到数据库中，作为对道路状况分析的依据。数据经过统计分析之后再传送给汽车作为导航数据，完成信息双流向的工作，把信息中心传送的数据作为导航的主要依据，使汽车的导航不完全依赖于电子地图。模型图示如图1所示。

图1 信息模型图

3.3 建立统计区域

建立道路导航统计系统，就是为每一路段建立具有唯一的编号统计区域，如图2。统计区域的功能是对汽车发送过来的坐标信息通过进行统计拆分，分类进行存储。例如1、2号点编入A区域数据库，3、4号点编入B区域数据库，5、6号点编入C区域数据库，7号点编入D区域数据库，A、B、C区域数据库构成了实时道路系统数据库，每一个区域数据库都记载着本路段的大量实时的道路信息。D区域数据库与其它A、B、C区域数据库有非常大的区别，因为它的信息采集点在常规数据库之外，系统会认为此点位于城市公路之外，所以将此点作为非常规的点，不具有参考值，但是当有大量的此点出现时，系统就会认为此区域库内新建了一条道路，或者该道路取消了交通管制，车辆可以行驶。系统依据数据库进一步记录的历史详细信息，就可以具体确定属于何种情况，如果是新建道路的情况，则将此新建道路录入数据库，如果是属于取消交通管制，则不更新数据库，只做出提醒驾驶员的动作［3］。

图2 路段区域图

3.4 提取、统计信息

在实时道路系统数据库的基础上，建立1 440个以时间段为划分的子数据库，以对应全天1 440个时间段，以1 s为一个触发点。提取存储在区域数据库中关于时间信息的点，分别划入相对应的时间段数据库。在对坐标点进行时间段拆分的同时也要进行方向的拆分，这样最后得到的对于每一条道路，都对应2 880个记载着道路状况的子数据库。

3.5 得出数据

综合统计多台车的信息连续点间的距离，在实时道路系统数据库中可以简单地统计出对应道路的平均行车速度W，以及行走整条道路所需的时间U，这些数据是随时间变化的，并且具有方向性，在同一时间同一道路上，相同方向行驶的车辆的平均速度一般是相差不多，可以近似认为是相同的，在实时道路系统数据库中，利用车辆传过来的信息数据计算出某段时间段平均速度V，如果V与W数值相差很大，那么认为此点不具有统计特性，去除该点。但是当在某一段路某一时间内有大量的点被去除，系统就会分析出此区域出现交通阻塞情况。

3.6 数据使用

利用综合定位技术，现有的导航功能也不会受到影响，系统会考虑道路状况随时间的变化因素，根据行车时间设计最少时间路径，提示道路的行车状况。使用角速度传感器测量车辆的转向、加速度传感器测量车辆运动速度和倾斜传感器测量道路的坡度，利用这些技术手段称之为航位推算法，也可以得到车辆在卫星信号盲区的位置，再综合利用惯性导航修正技术，就可以得出汽车精确的导航信息，同时在信号良好的区域，由于车辆运动的方向和位置是有惯性的，在极短的时间里不会发生突变，所以可以利用惯性信息去消除由于多径效应带来的GPS定位数据的跳变。

3.7 数据模型

车辆的物理位置被转换为UTM系统数据库中的坐标，数据中心存储车辆的静态属性和车辆的实时位置信息，忽略车辆形状及大小，每辆车用一个点来表示，模型中每条公路段都有唯一的编号，车辆的行驶轨迹通过一系列的点表示。空间被分为公路段，将汽车的位置与速度信息化为一些具体的采样点，数据取样的间隔越短，数据就越精确。

对公路网、车辆、车辆的状况及时间建立模块，公路网由公路段组成。汽车的运动由它在各采样点上的位置和速度来定义。这些值被实时记录并更新，两个采样点之间的运动状态用四个参数a、t、v、d描述，其中a为汽车的加速度，t为两个时间点t1与t2之间的时刻，v为与时间点相对应的两位置之间的速度，d为距离起点路段的距离，满足三个计算式:

汽车将其位置与运动信息发送给中心站，中心站将这些数据信息收集起来，把加速度考虑进来，可以减少存储数据的大小，如果某一次更新与最后一次更新相比，速度的改变在某个很小的变化范围内，数据更新是可以忽略的。因此不是每一次的更新都会记录在数据库中，只有在这些关键数据影响到运动估测时，才会被记录下来并存入数据库中。

3.8 数据结构

为了使系统高效运行，必须对路段数据模型进行不同的操作处理。除了最后一个参数，这条记录中的每个参数要求大小一致。大多数情况下会有3到4个路段，利用一个数组来存储这一组数据。在特殊情况下，数据模型会出现多于或者少于4个单元的情况，假设单元数为k，处理规则如下:

(1)当k小于4时，在第(k+1)到第4个单元中添0;

(2)当k大于4时，前两个单元与一般情况下一样，设置第3单元为0，第4单元指向第3单元到第k单元的存储地址，最后一位设为空［4］。

4 综合定位

4.1 软件方案

如果在规定的时间内能够收到完整有效的GPS数据流，航位推算模块将以GPS数据流的周期作为航位推算起始时间和计算周期，并保留航位推算有关的时间、经度、纬度、速度、水平误差、高度误差、卫星数量、航位、速度等有效信息，如果不能接收到有效的GPS数据流，航位推算模块将启动系统内部的综合定位技术。

如果卫星定位数据可靠，将该数值保留作为航位推算的基准点，使用GPS的定位数据输出，具体包括方位、航向、速度等作为航位推算的输出。反之，如果航位推算模块的单片机判断出卫星定位数据不可靠，模块将利用综合定位技术计算出的方位、航向、速度作为定位数据输出，并采用和GPS相同的NEMA0183数据格式，流程图如图3所示。