基于GPS/DR的車輛定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙 鵬，張士柱，汪 靜

(湖北省測繪工程院，湖北武漢430074)

基于GPS/DR的車輛定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙 鵬，張士柱，汪 靜

(湖北省測繪工程院，湖北武漢430074)

在介紹了目前存在的車輛定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于GPS/DR定位技術(shù)的車輛定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架，詳細(xì)描述了框架內(nèi)各個部分的功能和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)；并基于該框架開發(fā)了一個簡單的系統(tǒng)，其具備車輛定位系統(tǒng)的基本功能。實(shí)際應(yīng)用效果表明該系統(tǒng)是合理的，具有一定的實(shí)用價值。

車輛定位；地理信息系統(tǒng)；全球定位系統(tǒng)

車輛定位系統(tǒng)是集中應(yīng)用車輛定位技術(shù)、GIS與數(shù)據(jù)庫技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)的高科技綜合系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)車輛的無線通信、定位、路線設(shè)計(jì)、路徑引導(dǎo)、信息服務(wù)等功能[1]。自動車輛定位功能是在車輛出行時以圖形方式顯示在電子地圖背景中，可以實(shí)時實(shí)地提供時間、經(jīng)緯度、運(yùn)行方向和速度等信息，準(zhǔn)確、及時地確定出車輛當(dāng)前的位置。通常車輛定位與導(dǎo)航系統(tǒng)由多個主要功能模塊組成，通過預(yù)定格式存儲的數(shù)字化導(dǎo)航地圖的形式為系統(tǒng)提供地理位置、道路交通、坐標(biāo)方位、基礎(chǔ)設(shè)施等信息。定位模塊通過專門的定位傳感器和數(shù)據(jù)處理工具快速計(jì)算，得出車輛位置數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)能夠自動辨別車輛的行駛路段。

1 車輛定位技術(shù)

目前常用的車輛定位技術(shù)有：

1）地圖匹配。利用車輛的行駛路線同道路網(wǎng)絡(luò)的圖形相關(guān)，使用算法將實(shí)際定位數(shù)據(jù)映射到直觀的數(shù)字地圖上，它通常與其他技術(shù)匹配，利用數(shù)字道路地圖修正車輛的定位誤差，及時協(xié)調(diào)車輛的位置。這種方法需要嚴(yán)格制作的數(shù)字地圖。定位精度取決于數(shù)字地圖的要素?cái)?shù)量及精度[2]。

2）航位推算 (DR)定位。推算定位技術(shù)是根據(jù)測量到的車輛位移和航向進(jìn)行定位的技術(shù)。它通過電子羅盤、陀螺儀、里程表、輪胎脈沖傳感器等傳感器傳來的信號推算出車輛的行駛距離、速度及行駛方向。在短時間內(nèi)，這種方法定位精度較高，且定位快速，不受外部環(huán)境的影響和干擾，但時間長了會產(chǎn)生累積誤差。

3）GPS定位。它由空間導(dǎo)航衛(wèi)星、地面工作站和用戶接收機(jī)組成。可以在全球范圍內(nèi)全天候地為各類用戶提供高精度三維位置、三維速度和時間信息[3]。

在系統(tǒng)中車輛的定位綜合使用了以上3種定位技術(shù)。

2 基于GPS/DR的車輛定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 需求分析

車輛定位系統(tǒng)需要存取的信息至少包括電子地圖信息、車輛位置信息和與車輛相關(guān)的信息。電子地圖信息通常是由地理信息系統(tǒng)來管理；車輛位置信息來自于GPS和DR傳感器數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的功能就由存取數(shù)據(jù)、分析處理數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的展示等功能組成，具體的系統(tǒng)功能如下：

1）查車功能：通過客戶端軟件、登陸網(wǎng)站，配以專業(yè)正版地圖，隨時隨地查看車輛當(dāng)前所在的位置信息。

2)歷史軌跡回放：可以回放任一時間段的行程及這個時間段的任何時刻的狀態(tài)包括：時間、地點(diǎn)和速度。

3）地圖操作：地圖可以無級放大，操作方式可以采用點(diǎn)擊入大一倍、在地圖上選取一定區(qū)域放大至整個窗口顯示、放大至特定比例尺等。地圖可以無級縮小，操作方式可以采用點(diǎn)擊地圖縮小一倍、選取一矩形區(qū)域后將當(dāng)前窗口顯示區(qū)域縮小顯示在矩形范圍、縮小至特定比例尺等。

4）數(shù)據(jù)報表統(tǒng)計(jì):客戶端軟件支持行駛分析、里程分析、車速分析等各種數(shù)據(jù)報表，以數(shù)字的方式準(zhǔn)確掌握車輛運(yùn)行狀況。

5）車輛資料的添加、修改、刪除、打印,記錄了車輛的基本資料。

6）系統(tǒng)用戶的添加、修改、刪除,出于安全考慮，規(guī)定只有系統(tǒng)中存在的用戶才能對系統(tǒng)中的車輛進(jìn)行監(jiān)控；只有當(dāng)用戶擁有對特定車輛的訪問權(quán)限時才能對該車輛進(jìn)行操作；同時只有用戶擁有某一操作權(quán)限的時候才能進(jìn)行這一操作。數(shù)據(jù)庫管理模塊提供了添加、刪除用戶以及設(shè)置用戶訪問權(quán)限和操作權(quán)限的工具。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

依據(jù)需求分析，系統(tǒng)主要分成2個部分，一部分是數(shù)據(jù)的獲取和存儲，另一部分是對存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，數(shù)據(jù)主要是在瀏覽器和客戶端軟件界面上顯示，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 車輛定位方法

GPS由于具有高精度、全天候、高效率的優(yōu)點(diǎn)成為了現(xiàn)在最為廣泛使用的定位技術(shù)，但也存在多路徑效應(yīng)、信號遮擋、信號丟失和弱觀測環(huán)境等缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)會造成GPS定位精度的下降甚至無法工作。DR定位的特點(diǎn)是定位快速，且不受外部環(huán)境的影響和干擾，但缺點(diǎn)是時間長了會產(chǎn)生累積誤差。當(dāng)GPS信號丟失而無法定位時，DR系統(tǒng)可繼續(xù)定位輸出，而GPS和 DR的信息融合不僅可以提高定位的精度，而且可以消除DR的誤差累積問題，兩者優(yōu)勢互補(bǔ)[4]。采用聯(lián)合卡爾曼濾波以實(shí)現(xiàn)GPS/DR組合系統(tǒng)的濾波與信息融合,通過GPS/DR信息融合計(jì)算出車輛的位置，然后通過地圖匹配算法將車輛位置投影到地圖上的準(zhǔn)確位置。通過將車輛位置信息保存到數(shù)據(jù)庫，來實(shí)現(xiàn)車輛歷史軌跡回放。

3.2 電子地圖操作

ArcGIS Engine組件庫中的組件提供了數(shù)據(jù)存取、地圖表示、開發(fā)組件等功能，使用ArcGISEngine開發(fā)組件ToolbarControl很容易實(shí)現(xiàn)打開地圖、地圖的漫游和縮放、在地圖上識別要素、在地圖上查詢要素等操作。

3.3 車輛信息操作

將車輛信息存入sqlserver數(shù)據(jù)庫，通過Web界面提供的數(shù)據(jù)庫，操作人員使用 sql語句實(shí)現(xiàn)添加、刪除、修改車輛信息等操作。

4 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

利用采集GSP和DR傳感器的真實(shí)數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)界面展示系統(tǒng)的效果。

1）通過GPS/DR信息融合計(jì)算出車輛的位置[5，6]，然后通過地圖匹配算法將車輛位置投影到地圖上的準(zhǔn)確位置。從圖2可以看出車輛的地理位置以及車牌號、車速等信息；在左邊的面板通過查詢條件可以只顯示滿足查詢條件的車輛在地圖上的位置；車輛統(tǒng)計(jì)顯示車輛的里程和車速；車輛運(yùn)行狀態(tài)顯示被選定車輛的具體信息。

圖2 車輛實(shí)時監(jiān)控界面

圖3 網(wǎng)上查車

2）如圖3所示，被授權(quán)的用戶可以隨時在網(wǎng)上查詢車輛，被查詢的車輛在地圖上顯示車輛的位置等相關(guān)信息。

3）如圖4所示，用戶可以任意選擇某車輛的行車時間段來查看這一時間段車輛行駛的軌跡，這樣就便于用戶了解車輛曾經(jīng)行駛的路程等相關(guān)信息。

圖4 歷史軌跡回放

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種車輛定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備車輛定位系統(tǒng)的基本功能，在這些基本功能的基礎(chǔ)上可以較容易地?cái)U(kuò)展其他功能，如我們只要保存車輛更多的信息，系統(tǒng)就可以向用戶展示更具體的車輛位置以及行駛狀況等信息。

目前，系統(tǒng)的功能尚不齊全，人機(jī)交互部分尚存在一些不足，今后還需要進(jìn)一步調(diào)研用戶的需求，對系統(tǒng)進(jìn)行更詳細(xì)的設(shè)計(jì)，不斷完善系統(tǒng)的功能，提高系統(tǒng)的可操作性、易用性。

[1] 朱留軍.車輛導(dǎo)航系統(tǒng)中GPS/DR/MM組合定位技術(shù)的研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué),2009

[2] 柳林,李萬武,王志余,等.實(shí)時高精度地圖匹配技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].測繪科學(xué),2010,25(5):51-53

[3] 張文乾.基于GPS/DR和GSM的車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2009

[4] 馬海波,李少杰,黃躍峰,等.車載導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度定位算法[J].地理信息世界,2010（01）:48-55

[5] 李功權(quán),肖周林.整合GIS和GPS的車輛定位方法實(shí)踐研究[J].長江大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2010,7(3):83-85

[6] 牛立,王景中.GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)提取的設(shè)計(jì)與研究[J].微型機(jī)與應(yīng)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

趙鵬，研究方向?yàn)镚IS應(yīng)用。