GPS在车辆导航与监控系统中的应用

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本章将简要介绍GPS 在车辆导航与监控系统中的应用。因为本论文的工作主要是着眼于GPS 定位功能在导航与监控系统这一领域的应用来进行的；在后面几章的系统建模过程中，也是以车辆导航系统为例进行分析的，所以本章的内容可以看作是本论文研究工作的应用背景。
在介绍车辆导航系统的过程中，将引入另一个重要的概念——矢量地图。它是整个导航系统的基础，导航系统的定位、路径寻优、轨迹校正等功能都不开矢量地图的支持。
3.1 GPS 车辆导航与监控的发展
车辆监控和导航的研究工作开始于20 世纪70 年代。近些年来许多汽车生产公司为了提高本公司产品在市场的竞争能力，投资研究和开发车辆导航设备，极大推进了GPS 在车辆导航领域的应用和发展。车辆导航与监控系统在国外称为自动车辆定位和导航系统（AVLN）,又称为智能汽车/公路系统（IVHS）和智能化交 通系统（ITS）。
很多大公司如丰田、东芝、索尼等与导航系统供应商协作，使得日本在轿车导航系统方面的研究处于世界领先地位。1991 年，东芝公司轿车导航系统，采用一种可操作的电视GPS 接收机，可显示沿途饭店、旅馆和商店等信息。1994年，索尼公司推出一种带电子地图的汽车导航系统，将一个8 通道的GPS 接收机
与CD-ROM 格式的地图及信息数据库结合在一起，并能接收调频无线电广播发送的交通流量信息。另外，许多大公司，如奔驰日本公司、丰田、本田等，都在积极开发自己的导航信息系统，拓展导航信息服务市场。在美国，有多个公司已研制或正在研制轿车导航系统。克莱斯勒公司研制了一种基于GPS 的车辆导航系统，该系统在失去卫星信号后，可用罗经和里程计来工作，保持车辆继续导航。威斯汀豪斯公司研制了自动车辆定位系统，安装在城市公共汽车和轻轨火车上。在欧洲，1995 年，法国巴黎的公共汽车率先使用车辆调度和导航系统。
相比许多发达国家在GPS 应用领域的研究和发展，我国还处于起步阶段，但近年来发展迅速。我国不少城市引进国外先进设备，装备在公安、军队、金融、消防等部门，发挥了一定的效益。
经过十多年的市场培育，我国卫星导航定位应用已进入高速发展时期，中国汽车产业的迅猛发展以及中国获得2004 年奥运会和2010 年世博会的主办权，为卫星导航产业提供了巨大的市场需求。有关专家测算，2004 年我国的卫星导航定位应用市场的产值超过90 亿元，2005 年将达150 亿元，其中车辆导航和监控系统市场的产值就将达到75 亿元。而由它带动的相关产业产值将是这一数字的5—10 倍[1]。

交通部的统计显示，目前中国有430 万辆货运车、170 万辆客运车、90 多万船只需要加装卫星导航系统。同时，新车选装系统的需求量增长迅速。2005 年中国汽车需求将超过550 万辆。今后几年内地汽车对卫星导航系统需求量将以每年20%以上的速度迅猛发展[1]。
3.2 车辆监控系统的典型结构组成
本节将以中国科学技术大学GPS 实验室研究开发的车辆监控系统为例，简要介绍一个典型的车辆监控系统得组成结构。


图3.2 导航软件主要组成模块
图3.1 所示为GPS 车辆导航系统结构框图。它由软件和硬件两部分组成。硬件包括：GPS 接收机（包括天线等附件），车载计算机（包括串口线、电池等附件）。软件包括操作系统软件、车辆导航系统软件和导航矢量电子地图。
图3.2 所示为导航软件部分的主要组成模块。
串口数据解析模块：分析GPS 接收机数据，从中解算出车辆位置、速度、方向等定位信息；
导航地图GIS 平台：作为整个车辆导航系统的显示背景，显示车辆当前所处的位置和附近的道路情况，提供导航矢量地图和GIS 数据库的各种操作。
智能决策模块：结合导航地图GIS 平台，跟踪并动态校正车辆的位置，实现路径寻优、导航信息提示和车辆报警等功能。
3.3 导航矢量电子地图
导航，就离不开地图，就象我们到达一个不熟悉的城市，先要购买旅游地图一样，车辆的导航也离不开导航地图。导航电子地图是整个导航系统的基础，导航系统的定位、路径寻优、轨迹校正等功能都不开导航电子地图的支持。
电子地图按照其数据结构的不同，又主要分为矢量电子地图和栅格电子地图两种，栅格电子地图也就是我们平时常见的位图。电子地图的这两种实现，各有优缺点。栅格电子地图生成比较方便，图像比较细致，和人们日常使用的地图类似；但是，栅格电子地图数据量比较大，存储不方便，放大过程中会产生失真，数据不是很准确，很难进行全局或者局部校正，更新困难。矢量电子地图生成过程相对复杂，但是数据量小，地图可以随意缩放，缩放过程中不会失真，可以进行全局或者局部校正，更新方便。例如一幅成都市地图，按照比例尺1：200000（约），转化为24 位位图，大约15M，而中国科学技术大学GPS 实验室利用自主开发的矢量地图生成系统生成的矢量地图数据库，只有137K，近3000 条道路（矢量边）的矢量文件大小只有约61K。可见矢量电子地图的优越性。所以绝大多数GIS 系统中使用的电子地图是以矢量地图作为其表现形式的。
一份矢量电子地图的组成结构如图3.3 所示。矢量电子地图可以看作由点、线、面这三种几何对象以及它们的属性数据构成的数据的集合，所以在此引入了地图矢量库和地图数据库这两个概念。矢量库是一组图形描述数据，保存了地图的几何数据；数据库则是一组描述数据，保存地图各种几何对象的属性数据，二者之间通过地物对象的序号建立索引关系。如下图：

一副地图可以看成是由点、线、面三种几何图形构成的。点指的是单位之类的地物实体，线则是道路、铁路之类的实体，而区划这类的实体就可以用面来表征。依照传统的习惯，把点、线、面这三类地物按照从上到下的顺序排列。生成、编辑电子地图的过程就是生成、编辑地图矢量库和数据库的过程。
矢量库定义出几何结构的位置形状信息。点标志比较简单，只是一个点；面标志对应的几何结构就是一个多边形，也比较简单；而线标志则包含较多的内容，要相对复杂一些。下面主要介绍与线标志，也就是道路有关的概念：
矢量边。是一些点的坐标的集合，表征着一条连续的折线。它有以下的性质：
大节点、小节点、节点。大节点是矢量边的端点；小节点是指矢量边除端点之外的内部点；大节点和小节点统称节点。
弧。一条弧就是一条矢量边，是若干个节点的集合。组成弧的节点是顺序排列的。
路。路是若干条弧的集合。
从上面的介绍中可以看出，矢量电子地图之所以能够成为导航系统的基础，正是因为它能够提供非常丰富的有关道路、区域等地理实体的信息。例如，可以很容易的从矢量地图中获得某一段道路的方向、长度、道路中各个节点的坐标等等知识，这些知识在导航过程中是非常重要的。下文第五章的研究工作，也正是以矢量电子地图所提供的这些信息为基础来进行的。