车载导航系统中定位点纠偏方法的设计及实现

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　　0 引言
　　车载导航系统是结合电子地图和全球定位系统的一项产品，能够为汽车驾驶者实时提供当前GPS 定位点及行驶中所需道路位置信息。由于GPS 系统所带来的误差，定位点与电子地图产生较大的偏差，这就需要采用一种纠偏的方法来解决此问题。常用办法是采用DR 组合导航来进行定位数据纠错，这种办法增加了系统设计成本；另一种办法是平均值软件算法，这种方法只能改善定位误差，而无法解决定位点与电子地图偏离的问题。
　　地图匹配的方法是在接收GPS 数据的基础上，利用软件使电子地图主动匹配GPS 数据，在文献[2] 中，主要讨论了电子地图匹配算法在GPS 和DR 组合车载导航系统中的作用，本文在宫雨生[1]和陈永刚[3]等人的工作基础上给出一种实现方法，从而完成了定位误差的纠偏。在车载导航系统中，地图匹配法有效解决了GPS 定位点与电子地图偏离问题。在实际工程应用中，这种纠偏方法简单有效，设计无需增加硬件材料成本，应用效果很好。
　　1 车载导航的误差分析
　　1.1 GPS 系统定位误差分析
　　全球定位系统（GPS，Global Positioning System）一般由空间部分、地面监控部分以及用户接收机三大部分组成，其中用户接收机部分通过接收多颗卫星的信号来解算出自身的位置以实现定位和导航，是用户获取定位、实时信息的重要途径。
　　由于SA 政策的取消，当前普通GPS 接收机的精度基本上可以满足运动目标定位监控的需要，但是在有遮挡物的情况下，GPS 精度会严重下降。
　　GPS 测量是通过地面接收设备接收卫星传送来的信息，计算同一时刻地面接收设备到多颗卫星之间的伪距离，采用空间距离后方交会方法，来确定地面点的三维坐标。因此，对于GPS 卫星、卫星信号传播过程和地面接收设备都会对GPS测量产生误差。主要误差来源可分为: 与GPS 卫星有关的误差;与信号传播有关的误差;与接收设备有关的误差。
　　1.2 电子地图误差分析1.2.1 原始地图数据信息载体介质不同产生的源误差原始地图数据信息载体介质一般分为纸介质、透明薄膜介质及刻图薄膜介质3 种。在3 种信息载体中，纸介质的变形最大，其次为透明薄膜介质变形，刻图薄膜介质变形最小。
　　纸介质变形产生误差一般在1 ～ 2mm，薄膜介质变形误差≤0.2mm，图薄膜产生变形误差一般≤0.15mm。
　　1.2.2 地图扫描矢量化产生的误差
　　地图扫描矢量化形成的误差主要来自两个方面: 用于扫描地图的扫描仪本身精度不高或者在扫描过程中设置的扫描精度不够产生的误差,扫描过程中还可能由于光栅图像变形而产生误差。有些单位在没有宽幅扫描仪的情况下，将地图裁剪成数张扫描后拼接而产生的双重误差。地图矢量化时光栅图像没有配准就矢量化而形成的误差。在矢量点、线过程中图像放大倍、数过小形成的误差等等。
　　2 纠偏方法的设计
　　2.1 纠偏方法的分析
　　平均值法，当监控目标处于静止状态时，会存在很严重的漂移现象，可以采用长时间位置平均的方法加以改善。
　　差分法，适用于静态和动态目标，但是需要建立差分基准站，投资大且基准站作用范围有限。
　　滤波法，有时依靠单一GPS位置信息无法满足要求，特别是在城市高楼林立的地方或者有树木遮蔽的地方，在这种情况下采用一定的惯性导航设备，如陀螺仪和加速度计等组成简单DR 系统就能很好地解决这个问题，而卡尔曼（Kalman）滤波是非常适合于描述系统动态特性的滤波器，并且能够有效地将不同传感器的输出信息进行融合，可达到剔除各种随机误差和干扰，提高动态定位精度的目的。
　　2.2 地图匹配法的设计
　　通过前文对电子地图及GPS 所产生误差分析得知：电子地图可以采用多种措施来提高精度，而SA政策致使GPS 在民用中所带来的误差是难于解决的。地图匹配法，就是针对GPS定位所产生的误差，通过软件及电子地图的处理，使其显示定位点完全匹配在道路上。对于城市导航，尤其在公路或者街道上的运动目标定位显示的处理，采用地图匹配的方法，可以把漂出路外的运动目标“拉”回到路内，从而完成纠偏的处理。
　　2.2.1 GPS 数据的采集及处理
　　系统主要由数据接收单元、地图数据单元、导航单元及显示单元组成。
　　数据接收单元主要由GPS 接收模块和天线完成，主要基于嵌入式主板，根据NAEA 0183 语句应用软件通过串口完成GPS 数据处理，应用程序要对GPS 输出语句的GGA、GSV、RMC 和VTG 等消息进行解析，得到运动目标的经度、纬度、高度、速度、方向、时间等信息，存入缓冲区。地图数据单元主要完成数据处理单元的对电子地图上的道路点集合、道路索引点以及点坐标值等数据的获得；导航单元主要完成两方面内容，一方面是在矢量图形上，按照各种图形元素的拓扑关系得到需要统计和分析的矢量的图形元素；另一方面是将处理过的GPS 数据映射在电子地图坐标系中，从而完成GPS 定位点显示在电子地图上。显示单元完成电子地图的显示及导航光标等图形界面处理及显示。通过以上流程完成了从GPS 数据接收、数据处理及最终导航定位的显示。
　　2.2.2 地图匹配的软件处理
　　由于GPS 数据和地图误差的出现，导致了定位点在地图上显示时出现偏差，最直接的现象就是定位点不能准确的显示在道路上，或者偏离道路，或者显示在错误的道路上。这样就误导了使用者，使之在视觉上产生定位不准确。
　　软件处理就是能够实时的正确的在道路上显示定位点，达到定位“零误差”。道路在地图上的显示形式有多种，有单向和双向的道路，不管是哪一种，匹配纠偏的基本方法都是相同的。首先，根据定位点选择距离定位点最近的一条道路，因为定位点附近可能会有多条道路，为了减小误差，选择离定位点距离为零或最小的道路，当道路为单向时勿需考虑方向的问题，当为双向道路时，可根据车辆的行驶方向去匹配道路；其次，需要在道路上找到与定位点相匹配的点，使之相对应，让定位点在此点上能够误差最小。最后就是将定位点“拉”到道路与之匹配的点上进行显示，最终达到理想的效果。
　　交叉路口是导航过程中通常碰到的问题，在软件处理中要特殊处理。采用的办法是电子地图数据处理中可对交叉路口作标识参数，软件可以读取，当匹配点判断到交叉路口时可采用延时推算方法来解决此问题，即GPS 的匹配点显示在交叉路口上，此时GPS 点不与匹配点映射。设定判定距离L2，测算GPS 点与十字路口索引点距离L1，当L1>L2 时，即超出设定距离，再次进行GPS点匹配，即完成交叉路口后的道路抉择。当然如果再需要提高使用精度及使用性，可把GPS 方向值提取出来作为二维条件进行处理。
　　软件处理仅涉及一些简单的算法，每一步的具体实现方法如下：（1）获取GPS 数据信息，选择最近的道路时进行道路的范围查询。首先选定范围，范围是以GPS 定位点为中心，设定的距离（以米为单位）为半径d1 和d2 的圆。在半径d1 的圆范围内查询交叉点，如果有交叉路口进行交叉点处理；否则，设定半径d2 的圆范围内查询所有道路（道路一般在地图的线层中），计算定位点到每一条道路的距离，通过比较法得到最小的距离，那么就得到了距离定位点最近道路。
　　（2）选择合适的道路后，就要在此道路上选择合适的点与定位点相对应。可以把道路看作是由很多点组成的线，点与点的间距越小，道路上的点就越多，定位点与道路上的点匹配越准确，误差也就越小。根据这种方法，确定好点的间距后，就可以得到组成道路的点的集合，计算定位点到点集合中每点的距离，同样通过比较法得到最小距离的那个点，这个点就是与定位点匹配最好的点。
　　（3）用匹配点取代定位点，显示定位图标，达到最终地图纠偏的效果。
　　以上为匹配纠偏的基本方法，在软件方面还存在一些细节处理，不同的情况还可以进行改进及优化。在车载导航的实际使用过程中，根据使用环境不同和使用条件的不同，在软件中GPS 定位和导航可以提供两种模式可作切换键，即地图匹配模式和GPS 原值定位模式两种。地图匹配的方法即上文所描述的方法，GPS 原值定位模式是将所获得的GPS 数据直接与电子地图进行映射，从而完成定位及导航，通过这些方法的处理来适应不同条件和不同用户的需求。
　　3 结论及建议
　　在车载导航系统中，通过GPS 数据与电子地图的有效结合，地图匹配方法的设计有效解决了GPS 与电子地图带来的定位点偏差，而且完善了车载导航系统的定位及导航等功能。
　　在实际工程应用中，用简单可行的地图匹配纠偏方法，不仅降低系统设计的成本，也具备良好的适用性。